愛知工業大学研究報告第 34号 B 平成 1 1年 27 エキシマレーザにより生成した高圧アルゴンプラズマの形状に関する研究 S t u d yo nS h a p eo fH i g h P r e s s u r eA r g o nP l a s m a P r o d u c e db yt h eE x c i m e rL a s e r 津田紀生す N o r i oTSUDA 山田詳寸，JunYAMADA naXeCIe x c i m e rl a s e rwasf o c u s e di nt h 巴h i g h p r e s s u r ea r g o ng a supt o1 5 0 a t m， t h e A b s t r a c t : Whe I s of o r w a r d ，whichd i f f e r e d合omonep r o d u c e dby批 v i s i b l e p l a s m ad e v e l o p e dn o to n l ybackwardb u ta l a s e r .Thef o r w a r dd e v e l o p m e n to ft h eh i g h p r e s s u r 巴l a s e rp l a s m awaso b s e r v e da tt h ef u s tt i m e .The p l a s m as h a p ewasm e a s u r e d .Ther a d i u so ft h ef o 抑制 p l a s m awassma I l e rt h a nt h a to ft h ef o c a Is p o t ， a n dt h eb a c k w a r dr a d i u swast h esamea st h 巴l i g h tc o n巴.Thes p h e r i c a Ia b 巴r r a t i o nd i dn o t泊f l u 巴n c et ot h 巴 f o r w a r dp l a s m adev 巴l opmen . tI twasf o u n dt h a tt h es h a p eo fp l a s m ac o n s i s t e do ft h etwod i 釘' e r e n tc o n e s w i t ht h eI a r g ev e r t i c a Ia n g l ea n dt h esma l Io n e . 1 . はじめにるエキシマレーザ光を 150気圧までの高圧アルゴンガス中に集光照射したところプラズマは、可視光の高圧ガス中にレーザ光を集光照射すると、集光レンズの焦点において高密度プラズマが生成される。時と異なり、焦点後方ばかりでなく焦点を越えて前方にも成長した。 5 ) 高圧レーザプラズマの実験におレーザ光による気体の絶縁破壊に関する最初の研究いて焦点前方へのプラズマの成長は、初めて観測さは、 1 9 6 3年の Mayerrand1)によるものであり、そのれた結果である。そこで"今回、高庄アルゴンガス中 2 によって実験結果と理論計 ) 後、 1 9 6 5年には R a i z e r に生成されたプラズマの形状について調べたので、算結果の比較が行われでいる。しかしながら、今まその結果について報告する。で行われた研究の多くは、可視光域で発振するレーザ光を用いて気体の絶縁破壊を行った時の破壊のし 2 . 実験方法きい値を求めるものであった。また、気体を用いたレーザプラズマに関する研究の多くは、数気圧の圧 2 . 1 実験装置力中にプラズマを生成する実験がほとんどであった。レーザフ。ラズマの形状の測定に用いた実験装置をそこで、以前我々の研究室では、 150気圧までの高圧アルゴンガス中に可視光域で発振するルビーレーザ光を集光照射してプラズマを生成し、その物性や成長メカニズム 4)を解明してきた。 3 ) 最近、紫外線領域で発振するエキシマレーザが開図 1に示す。エキシマレーザは、媒質に XeCIを用いたので波長 308nm、最大パワー 17MWで発振し、レーザパルスの半値幅は 3 0 n sで発振する。今回実験に使用したエキシマレーザは、最大 50 Hzの繰り返し周波数で発振可能であるが、単発でパルス発振発され、ハイパワーな紫外線が簡単に利用できるよさせて実験を行った。レーザ光の断面は llX24mm うになった。そこで、紫外線領域で効率よく発振すの長方形で、圧力容器内に設置した、焦点距離 40mm の石英ガラス製のレンズを用いて集光した。集光さ T 愛知工業大学電子工学科(豊田市) れたレーザ光は、焦点距離 40mmの焦点において 1 2 0 愛知工業大学研究報告、第 34号 B、平成 1 1年、 Vo1 .34B、Mar.1999 28 凶 X80μm の楕円形となった。アルゴンガスを封入って測定した。レーザパルスは複雑な形をしているする圧力容器は、直径1l0mm、長さ 140mmのステが、半値幅 33nsの台形で近似できる。ンレススチール製の円筒形で、光職方向に直径 30mm、光軸と直角方向に直径 20mmの空洞を開け、 3 . 紫外線レーザによって生成したプラズマの特徴厚さ 15mm の石英ガラス製の窓を取り付けることによって、ガスを封入した。圧力容器内にアルゴンエキシマレーザによって生成されたプラズマの電ガスを封入する時は、回転式真空ポンプで圧力容器子密度は、波長 488nm、最大パワー 15mW のアル内を lu-3Pa程度に排気し、アルゴンガスを数回入ゴンイオンレーザを用いて干渉計を構成し、フリンれ替えた後、アルゴンガスをチャンパ一内に封入し、ジの変化から測定した結果、レーザパワーが 15MW 手動式圧縮機で加圧して実験を行った。圧力の上限の時、 150 気圧までほぼ完全に電離しており、電子は、容器に取り付けた石英ガラス製の窓の耐圧を考密度は 10幻 m-3 に達することが分かった。しかし、慮して 150気圧とした。圧力が 100気圧を超えた場合レーザパワーが低くな集光レンズの焦点において生成されたプラズマのると電子密度は急激に低くなった。また、電子密度発光の様子は、焦点距離 100mm のリレーレンズをは焦点で一番高く、前方より後方の方が低くなった。用いて、ストリークカメラの入射スリット上に 1・線スペクトル強度比と連続光から求めた、電子温 1 で結像するように光学系を設置し、光軸と直角方 05K程度になった。度は集光レンズの焦点において 1 向の窓からストリークカメラを用いて測定した。しかし、電子温度も電子密度同様、圧力が 100気圧を超えた場合、レーザパワーが低くなると急激に低くなった。また、温度分布は焦点で一番高く前方より後方の方が高くなった。また、プラズマ周波数とレーザ光の周波数を比較した。その結果、可視光と異なり紫外線レーザ光の周波数は、プラズマ周波数より数倍高く、レーザ光はプラズマ中を透過出来ることが分かった。 4. プラズマストリーク像図 l 実験装置の配置図ある光強度でしきい値をとったプラズマのストリ 2 . 2 レーザパルスーク像を図 3に示す。この図は、上から下に向かつエキシマレーザ光のパルス波形を図 2に示す。こて時間掃引しており、横方向はプラズマの大きさをれは、レーザ光の一部をスプリッタで反射させ、フ表し、境界の内側はプラズマを示す。図よりプラズォトダイオードにレーザ光の一部入射させる事によマは、最初集光レンズの焦点において生成され、前 Pressure30atm F o c a lSpot ，， _ _ _ ・ . /Laser L a s巴rPower10MW ﹄ ωo a ω的町﹂ Wo ﹀﹀﹄ 1ns 。 2 Time ( 5 ) 図 2 レーザパルス 4 [x10-8] F r o n t . 1mm 図 3 プラズマストりーク像 Back 2 9 エキシマレーザにより生成した高圧アルゴンプラズマの形状に関する研究 1r吉 E 方と後方に非対称に成長していることが分かる。そ P r e s s u r e1 5 0 ( a t m ) r10(MW) L a s e rP叩 e を比較してみると、前方に成長するプラズマは、時間と共に成長速度が速くなり、レーザ光照射中にも内 U Rd L4 関わらず成長が止まり、その後減衰する。しかし、後方に成長するプラズマは、時間と共に成長速度が遅くなることが分かる。 Forward EDSUOK百的コ-百回江こで、前方と後方に成長するプラズマの成長の様子。。。 _' " '，， " 0 0 0 、 Backward 5 . プラズマ半径方向の大きさの測定 -4 プラズマ半径方向の測定は、図 1に示す実験装置 -2 0 Foc 副 Spot 2 4 (mm) 図 5a プラズマ半径方向(レーザ光の短径方向) において、ストりークカメラと CCDカメラを横に倒して、プラズ、マ半径方向の測定を行った。このよ 1，言うにして得られたプラズマ半径方向のストリーク像 E を図 4に示す。図の横方向はプラズマ半径方向の大きさを表している。このストリーク像を用いてプラズマ半径方向の大きさを求める時は、レーザパルス 0 . 5 終了時のプラズマの大きさを用いた。また、光軸に P r e s s u r e1 3 0 ( a t m ) 水平な方向のプラズマ半径方向の大きさを測定する L a s e rPower10(MW) 時は、チャンパーを横に倒し、チャンバー上部の窓 @ Forward から測定した。このようにして求めた、プラズマ半 4 径方向の測定値を図 5に示す。図 5 aは、レーザ光の短径方向のプラズマ半径を表し、図 5bは、レー -2 Backward 0 FocalSpot 2 4 ( m i n ) 図 5b プラズマ半径方向(レーザ光の長径方向) ザ光の長径方向のプラズマ半径をそれぞれ表す。また、実線は理論計算によって求めた、集光したレーにレーザ光の自己収束効果が作用しているためであザ光の光路を表し、白丸又は黒丸はプラズマ半径方ると考えられる。また、焦点では実験によって求め向のストリーク像から求めたプラズマ半径方向の大たプラズマ半径方向の大きさは約 2 ， 3倍程度、焦点きさを表す。図より、焦点後方において理論光路とより大きい。これは、集光レンズの焦点において収プラズマ半径方向の大きさは、ほぼ等しい。しかし、差が生じている為ではないかと考えられる。前方におけるプラズマ半径方向の大きさは、理論光路より小さくなった。これは、前方プラズマの成長 5MW プラズマの形状を調べるために、プラズマ長につ FocalSpo ↑ 70atm ↑ハ F r o n 6 . プラズマ長の測定結果 Back いて測定した結果を以下に示す。ふ 1 後方プラズマ長門ハU TIl-ム後方プラズマ長のレーザパワー依存性について調べた結果を図 6に示す。後方プラズマ長は、レーザパワーの増加に伴い長くなっている事が分かる。また、集光レンズの焦点距離が長くなるに従い後方プラズマ長が長くなった。これは、焦点距離が長くな山山図 4 プラズマ半径方向ストリーク像るとレンズ、の集光角が小さくなるためであると考えられる。愛知工業大学研究報告、第 34号 B、平成 11年、 Vo. 134B、Mar.1999 30 司 2 10 P r e s s u r e30atm F o c a lL e n g t h o80mm E E : 5 口 60 : ?10' A 40 ム " ' " ' ; ! 10 0 ω E QUA Oロ E ロム O 何自ム Ql _j 前方 Q 図 8 プラズマの形状ム t 5 何 7. レーザ光のエネルギー分布回 1 0 -1ハ 1 0 " 1 01 L a s e rPower(MW) レーザ光のエネルギー分布は、レーザ光の光路に図 6 後方プラズマ長のレーザパワー依存性スプリッタを入れ一部を反射させ、受光面に直径 lmm の穴の空いたスリットを付けたフォトダイオ 6 . 2 前方プラズマ長ードをマイクロメータ付き Xステージと Zステージ前方プラズマ長のレーザパワー依存性について調にのせて測定した。レーザパルスの横方向のエネルべた結果を図 7に示す。図より、レーザパワーが高ギ一分布を図 9a に縦方向のエネルギー分布を図 9b くなると、前方プラズマ長はわずかに短くなった。に示す。図より、レーザ光のエネルギー分布は均ーまた、焦点距離が長くなるほど、前方プラズマ長はではなく、中心部分とサイド部分で強度差が存在す短くなった。プラズマの前方成長は、レーザ光の周る事が分かつた。この為、集光レンズの焦点におけ波数がプラズマ周波数より約二倍程高いために、レる破壊にレンズの収差の影響は、ほとんど無いと考ーザ光がプラズマ中を透過し、前方に成長すると考えられる。えられる。しかしながら、集光レンズの焦点距離やレーザパワーの増加に伴い、後方プラズマ長も長く 1 0 0 なる。レーザ光は後方プラズマにより吸収されるの > " E で、前方プラズマ長は、レーザパワーの増加に伴い主80 短くなったと考えられる。 1ーマオ γ60 、 h 101 .L Pressure30atm E E 4 マ [ " ¥ 40 FocalLength o40mm 4こ 01 己口 60 国ム 80 」 E 凹コ (mm) 1 0 図 9a エネルギー分布(レーザ光の短径方向) 白色田 0 . . 縦方品 8 8 ムロ O 由。 1 0 0 T 」 > " E 国 ~ 100 u . . ミ千話 101 100 LaserPower(MW) 図 7 前方プラズマ長のレーザパワー依存性乙ム 4 8 0 T 号、ム校、「 6 . 3 プラズマの形状プラズマの形状を模式的に図 8に示す。プラズマは図に示すように、前方後方二つの円錐形で構成さ横*~向 (mm)20 図 9b エネルギー分布(レーザ光の長径方向) れ、後方の円錐は頂角が大きな円錐形で、前方は頂角の小さな円錐形で構成されると考えられる。 8 . レンズの焦点距離の移動エキシマレーザにより生成した高圧アルゴンプラズマの形状に関する研究レーザ光が破壊のしきい値付近の時、圧力が増加 3 1 9 . 収差の検討すると絶縁破壊が生じる場所が集光レンズの焦点から光軸前方に移動する現象が実験中に観測された。焦点前方へのプラズマの成長がレンズの収差の影レーザ光は、レンズによって集光されているので光響であるかどうか実験を行い確認した。焦点距離強度は集光レンズの焦点が最も高いと考えられる。 40mmのレンズで 11X24mmのレーザ光を集光したこの為、圧力の増加に伴い、集光レンズの焦点距離ときのレーザ光の光路を光線追跡法で計算したものが増加したのではないかと考えた。そこで、気体の 1に示す。とレンズの球菌収差を計算した結果を図 1 屈折率を考慮した集光レンズの実効的な焦点距離を図よりレーザ光が長方形の為、焦点において収差が求め、実験結果と比較した。レンズは、焦点から出生じ、焦点距離がレーザ光の長径と短径で異なってた光がレンズを透過した後、平行ビームになるよういる事が分かる。そこで、実際の収差がどれくらいに設計されている。この為、実効焦点距離 F を求か計算したところ約 4mmの収差が存在する事が分めると以下のような式で表される。かった。 F= ! _ 2 い2 / n ;-1) r } 均/nx-1) r d ( 1 ) ここで、 rは光軸から平行ビームまでの距離、 n はレンズの屈折率、 Dxは高圧気体中の屈折率、 Tdはレンズの厚みを表す。気体の屈折率の圧力依存性は、圧力 pを用いると以下のように表される。 n x 1 +p ( nX() ー1 ) ( 2 ) 田上式を用い、圧力の増加による屈折率の増加が 1より大きく離れていない時は次式で近似される。 F • 回 ( ， . p ( n t ¥ x u-1} 1 1 +一一一一一一 I F ¥ n-1 ( 3 ) J 上式より、実効焦点距離は圧力の増加に伴い増加する事が分かる。上式を A 用いて計算した理論計算値 0にと実験によって求めた値を比較した結果を図 1 E ε10 講釈焦点距離 40mm レンズ口径 25mm レンズ厚み 69mm 示す。図より実験結果と理論計算値は、ほぼ一致す目屈折率 1 . 4 85 圧力 50atm ることが分かつた。以上の結果から、圧力が高くなると、レンズの実効的な焦点距離が 1 5 0気圧で数 m mと無視出来ないことが分かつた。 50 ， 0 測定値一一計算値 Z ￡。。。 l 宅 4 5 10 球菌収差附収差] (mm) 図 11 レンズの収差そこで、レーザ光の光路に直径 11mm のスリットを入れ、収差の影響を調べた結果を図 1 2に示す。叩訓E 苦 o 。。この図は、中心が穴のスリットと外側に穴を空けたスリットを入れた場合、集光レンズの焦点の位置を測定した結果を表したものである。図より、中心に 50 100 P r e s s u r e( a t m ) 150 図 10 焦点距離の圧力依存性穴を空けたスリットを入れた場合、スリットがない時と焦点の位置がほとんど同じである事が分かった n 32 1年、 VoL34-B、M紅白 1999 愛知工業大学研究報告、第 34号 B、平成 1 よって、前方成長が集光レンズの収差の影響によるトを入れ、収差の影響を測定した所、前方プラズマものでない事が分かつた。成長に収差の影響はほとんど無いことが分かつた。高圧ガス中にレーザ光を集光照射して生成したプ 1 1 1mm 9 十iII 11mm J 中 o1 _ 2 t-心ム 8mm 側 A 8mm ~ L穴口 5mm 穴閤 5mm εI ~ k ラズマは大きさの異なるこつの円錐形で構成され、それぞれの形状は、後方はI 員角の大きな円錐形で、 + 3mm 1 ~ 前方は頂角の小さな円錐形であることが分かつた。 f 担 e i o 卜ら3 - Jィ z : I i l I ! m ﹂同円程ょ。 2 0圧力，4 0( a t m )6 0 図 12 スリットを入れた場合の収差の影響参考文献 .G .Mayerranda n dA .F .Haugh: tGasBreakdown 1 ) R a tt h eO p t i c a lF r e q u e n c i e s，P h y s‘ R巴v .L e t t e r s， v ol . 11 ， pp401， 1 9 6 3 . 巴r :S o v .P h y s . JETP v o. 121，pp1009， u .P .R a i z 2 ) Y 1 9 6 5 . J . Yamada，T . Tamano and T . Okuda: P h y s i c a l 10園総括巴so f La s e rP r o d u c 巴d D ens巴 P l a s m ai n P r o p e r t i High手間 s s u r 巴 A rgon Gas 巴s ，J p n .J . App . lP hys，高圧ガス中に紫外線領域で発振するエキシマレーザ光を集光照射したところプラズマは焦点後方ばか vo. 16 0， pp907， 1991 . .Yamadaa n dT .O k u d a :DevelopmentMechanism 4 ) J りでなく前方にも成長した。そこで、プラズマ半径 o fLas 巴r S p a r ki nHighP r e s s u r eArgonGas，J p n .J 方向の大きさを測定したところ、焦点前方において App . lP h y s， vol . 18 ， pp139， 1 9 7 9 プラズマは自己収束していることが確認された。レンズの収差を計算したところ、約 4mm の収差 .Yamada，N .T s u d a，Y .Uchida，H .H u r u h a s h iand 5 ) J T .S a h a s h i :T r a n s‘IEEJ p n .Vo1 . 114A ，pp303，1994 が確認された。しかし、レーザ光の光軸上にスリッ (受理 1年 3月 20臼) 平成 1