光イオン化モード

写真はフェムト秒レーザースパークとそれによって形成される超連続スペクトルを示している。

光イオン化モードは、レーザービームと物質との間の相互作用における光イオン化を伴うモードである。[1]

一般的な考慮事項

レーザー光は、励起、イオン化、原子や分子の解離といった基本的なプロセスを通じて、あらゆる種類の材料に影響を与えます。これらのプロセスは、光の特性だけでなく、材料の特性にも依存します。レーザーを材料加工に使用するには、これらの基本的な効果を理解し、制御できる必要があります。より深い理解を得るには、明確な相互作用領域を定義する必要があり、そのために4つの光イオン化モードが定義されています。

レーザーと物質の相互作用に関するこの新しい考察は、ティベリウス・ブラスタヴィセアヌが「フィラメント状イオン化モード」（シャーブルック大学、2005年）を記述した後、2006年に初めて提唱しました。彼は修士論文において、自己収束伝播領域における高出力フェムト秒（フェムト秒、1000兆分の1秒）レーザーパルスによって水中の溶媒和電子のフィラメント状分布が形成されることを実証的に証明し、この現象を説明・制御できる理論的背景を示しました。フィラメント伝播に関する主要記事を参照してください。

単一光子光イオン化モード

SP モードは、短い波長( UV、X 線)、または光子あたりのエネルギーが高く、強度レベルが低い場合に得られます。[引用が必要]この場合に関係する唯一の光イオン化プロセスは、単一光子イオン化です。

光分解光イオン化モード

OB モードは、材料が強力なレーザーパルスにさらされたときに観察されます。[引用が必要]これは、大部分の誘電体材料に対して MW の範囲で電力閾値を示し、これはレーザーパルスの持続時間と波長に依存します。光破壊は、1950 年代末に研究され、モデル化に成功した誘電破壊現象に関連しています。その効果は、プラズマが臨界値 (10 20～ 10 22電子/cm³) を超える密度に達する媒体の強力な局所イオン化として説明されます。プラズマの臨界密度が達成されると、エネルギーは光パルスから非常に効率的に吸収され、局所的なプラズマ温度が劇的に上昇します。爆発的なクーロン膨張が続き、ナノ秒の時間スケールで発生する非常に強力で損傷を与える衝撃波が材料に形成されます。液体では、キャビテーションバブルが発生します。プラズマ形成速度が比較的遅い場合、ナノ秒時間領域（ナノ秒励起レーザーパルスの場合）では、エネルギーがプラズマから格子へ伝達され、熱損傷が発生する可能性があります。一方、フェムト秒時間領域（フェムト秒励起レーザーパルスの場合）では、プラズマの膨張は格子へのエネルギー伝達速度よりも短い時間スケールで起こり、熱損傷は低減または排除されます。これが、高出力サブピコ秒レーザー光源を用いた冷間レーザー加工の基盤です。

光破壊は非常に「激しい」現象であり、周囲の媒質の構造を劇的に変化させます。肉眼では、光破壊は火花のように見えますが、空気やその他の流体中で発生した場合、プラズマの爆発的な膨張によって生じる短いノイズ（バースト）が聞こえることもあります。

光破壊には複数の光イオン化プロセスが関与しており、これらは波長、局所強度、パルス持続時間、そして物質の電子構造に依存します。まず、光破壊は非常に高い強度でのみ観測されることを述べておく必要があります。数十フェムト秒を超えるパルス持続時間では、アバランシェイオン化が重要な役割を果たします。パルス持続時間が長くなるほど、アバランシェイオン化の寄与は大きくなります。フェムト秒時間領域では多光子イオン化プロセスが重要であり、パルス持続時間が短くなるにつれてその役割は増大します。関与する多光子イオン化プロセスの種類も波長に依存します。

光分解の最も重要な特徴を理解するために必要な理論は次のとおりです。

  • プラズマ形成を説明するために、物質と強い（レーザー）場との相互作用の物理学。
  • プラズマの膨張、熱的および機械的効果を考慮するための、プラズマと強（レーザー）場の相互作用の物理学。
  • 空間強度分布の第一近似を説明するために、幾何光学理論／線形光学理論が用いられる。非線形伝搬理論は、通常、低開口数で行われる実験で生じる自己収束や、プラズマ密度の空間分布の詳細な特徴を説明するために用いられる。

光学的破壊閾値以下の光イオン化モード

B/OB モードは、光ブレークダウン モード (OB モード) とフィラメント モード (F モード) の中間のモードです。[要出典]このモードで生成されるプラズマ密度は、0 から臨界値、つまり光ブレークダウンしきい値までになります。B/OB ゾーン内で到達する強度は、多光子イオン化しきい値から光ブレークダウンしきい値までの範囲になります。可視-IR 領域では、自己収束を避けるために非常にタイトな外部収束 (高い開口数) の下で、強度が光ブレークダウンしきい値以下の場合に B/OB モードが得られます。光ブレークダウン強度しきい値が自己収束強度しきい値を下回る UV 領域では、タイトな収束は必要ありません。イオン化領域の形状はビームの焦点領域の形状に似ており、非常に小さくすることができます (わずか数マイクロメートル)。B/OB モードは、AI が全自由電子数に及ぼす寄与が非常に小さい短いパルス持続時間でのみ可能です。パルス持続時間がさらに短くなると、B/OB が可能な強度領域はさらに広くなります。

このイオン化モードを支配する原理は非常に単純です。局所プラズマは、光学的破壊閾値以下で、予測可能な方法で生成されなければなりません。光学的破壊強度閾値は、短いパルス幅においてのみ、入力強度と強い相関関係にあります。したがって、光学的破壊を体系的に回避するための重要な要件の一つは、短いパルス幅で動作させることです。イオン化を起こすには、多光子イオン化（MPI）強度閾値に到達する必要があります。その考え方は、レーザーパルスの持続時間を調整することで、多光子イオン化、そしておそらくはより程度は低いものの雪崩イオン化によってプラズマの密度が臨界値を超える時間がないようにすることです。

UV における単一光子モード (SP) と B/OB の違いは、後者では多光子イオン化、単一光子イオン化、そしておそらく程度は低いものの雪崩イオン化が動作しているのに対し、前者では単一光子イオン化のみが動作していることです。

B/OBは主にMPIプロセスに依存しています。そのため、どの種類の原子または分子がイオン化または解離するかという点において、OBよりも選択性が高いと言えます。B/OBの最も重要な特徴を理解するために必要な理論は以下のとおりです。

  • プラズマ形成を説明するために、物質と強い（レーザー）場との相互作用の物理。OBモードとは対照的に、この場合、雪崩電離の役割は大幅に減少し、その効果は多光子電離過程によって支配される。
  • 空間強度分布の第一近似を説明するために、幾何光学／線形光学理論が用いられる。非線形伝搬理論は、通常、低開口数で行われる実験で生じる自己収束や、プラズマの空間分布の詳細な特徴を説明するために用いられる。

B/OBモードはA. Vogelらによって説明されました[ref 2]。

フィラメント光イオン化モード

F モードでは、フィラメント状または線形の電離パターンが形成されます。[要出典]これらのフィラメント内のプラズマ密度は臨界値を下回ります。

自己収束効果は、線量分布の最も重要な特性に関与しています。これらのフィラメント状の電離痕の直径は、20%以内（数マイクロメートル程度）の誤差で一定です。その長さ、数、および相対位置は制御可能なパラメータです。プラズマ密度と光分解種の収率は、これらのフィラメントに沿って均一に分布していると考えられます。レーザー光が伝播中に到達する局所的な強度も、フィラメントの長さに沿って実質的に一定です。Fモードの動作出力範囲は、自己収束閾値以上、光破壊閾値以下です。したがって、このモードが存在するための必要条件は、自己収束閾値が光破壊閾値よりも小さいことです。

Fモードは非常に重要な特性を示し、他の3つの光イオン化モードと組み合わせることで、広範囲の線量分布の生成が可能になり、材料加工分野におけるレーザーの応用範囲が拡大します。Fモードは、線形イオン化トレースを生成できる唯一のモードです。

F モードの最も重要な特徴を理解するために必要な理論は次のとおりです。

スーパーコンティニウム生成などの非線形光学効果と光イオン化との間の最初の具体的な関連性は、1999年にA. BrodeurとSL Chinによって、光学実験データとモデリングに基づいて確立されました[ref 4]。2002年にはT. Brastaviceanuが、水中における自己収束領域で誘起される光イオン化の空間分布の初めての直接測定を発表しました[ref 5]。

光イオン化モードの重ね合わせ

レーザービームの特性を制御することで、レーザーパルスによって誘起される線量の空間分布と、一次光分解種の相対収量を制御することが可能です。線量分布は、4つの光イオン化モードの重ね合わせを誘起することで容易に形成できます。混合イオン化モードは、SP-OB、SP-B/OB、およびF-OBです。

参考文献

  1. ^ Joseph H. Banoub、Patrick A. Limbach（2010年12月12日）. ヌクレオシドと核酸の質量分析. Taylor & Francis. pp. 7–. ISBN 978-1-4200-4403-4. 2013年9月20日閲覧。

出典

  • Yablonovitch, Eli; Bloembergen, N. (1972-10-02). 「透明媒質中における光パルス誘起によるアバランシェイオン化とフィラメントの限界直径」. Physical Review Letters . 29 (14). American Physical Society (APS): 907– 910. Bibcode :1972PhRvL..29..907Y. doi :10.1103/physrevlett.29.907. ISSN  0031-9007.
  • Vogel, Alfred; Noack, Joachim; Huettmann, Gereon; Paltauf, Guenther (2002-04-05). 「透明生体媒質におけるフェムト秒レーザー生成低密度プラズマ：光破壊閾値以下での化学的、熱的、および熱機械的効果の創出ツール」 Edwards, Glenn S; Neev, Joseph; Ostendorf, Andreas; Sutherland, John C (編).超高速および自由電子レーザーの商業的および生物医学的応用. 第4633巻. SPIE. p. 23. Bibcode :2002SPIE.4633...23V. doi :10.1117/12.461385. S2CID  135655545. {{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)
  • Alfano, RR; Shapiro, SL (1970-03-16). 「結晶およびガラスにおける自己位相変調と微小フィラメントの観測」. Physical Review Letters . 24 (11). アメリカ物理学会 (APS): 592– 594. Bibcode :1970PhRvL..24..592A. doi :10.1103/physrevlett.24.592. ISSN  0031-9007.
  • Brodeur, A.; Chin, SL (1999-04-01). 「透明凝縮媒質における超高速白色光連続波発生と自己集束」. Journal of the Optical Society of America B . 16 (4). The Optical Society: 637. Bibcode :1999JOSAB..16..637B. doi :10.1364/josab.16.000637. ISSN  0740-3224.
  • 790nmフェムト秒レーザーパルスを用いた自己収束型水の光イオン化の記述。放射線生物学分野における潜在的応用。ティベリウス・ブラスタヴィチェヌ、シャーブルック大学、2002年
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