Doppler-shifted optical absorption characterization of plume-lateral expansion in laser ablation of a cerium target

セリウムターゲットのレーザーアブレーションにおけるプルーム膨脹のドップラーシフト光学吸収法によるキャラクタリゼーション

宮部 昌文   ; 大場 正規 ; 飯村 秀紀  ; 赤岡 克昭 ; 丸山 庸一郎; 大場 弘則  ; 反保 元伸; 若井田 育夫  

Miyabe, Masabumi; Oba, Masaki; Iimura, Hideki; Akaoka, Katsuaki; Maruyama, Yoichiro; Oba, Hironori; Tampo, Motonobu; Wakaida, Ikuo

次世代燃料の非破壊・遠隔分析技術開発における分析条件の最適化を目的として、フルエンス約0.5J/cmのYAGレーザー2倍高調波で生成したセリウムプラズマ(アブレーションプルーム)の時間発展を共鳴吸収分光法により調べた。試料表面に対して水平方向のプルーム膨脹速度を、吸収スペクトルのドップラー分裂の拡がりから決定した。中性原子及び1価イオンの水平速度を、雰囲気ガス圧やレーザーフルエンス,観測時刻,観測高さなど、幾つかのパラメーターを変化させて系統的に調べた。さらに、プローブレーザーの波長を共鳴吸収周波数からわずかにデチューニングさせて測定した透過信号の時間変化プロファイルから、横方向速度の時間変化を調べた。得られた結果をドラッグモデルで解析することにより、アブレーション粒子種のガス中での減速係数や、真空中での横方向膨脹速度を評価した。得られた知見は分析条件の最適化に不可欠なだけでなく、蒸着薄膜特性に対するプルームダイナミクスの効果を理解するうえでも役立つと思われる。

The temporal evolution of the ablation plume of cerium was investigated by absorption spectroscopy. Cerium oxide pellets were ablated in helium by 2nd harmonic radiation from a YAG laser. The lateral velocity of the plume was determined from the magnitude of the Doppler splitting of the absorption spectra. The velocities of neutral and ionized atoms were systematically investigated by varying several parameters. Temporal profiles of the transmittance signal were measured by detuning the probe laser frequency from the atomic resonant frequency in order to evaluate the temporal variation of the lateral velocity. On the basis of the drag force model, the slowing coefficients for atomic and ionic species in helium were evaluated along with the lateral velocity in a vacuum. This study may help in understanding the plume dynamics effect on deposited film properties as well as optimizing experimental conditions for ablation-based spectroscopic analysis.