Study on double-grating based interferometry for diagnostics of laser-plasma and gas

Abstract

플라즈마는 다양한 응용 분야에서 활용되고 최적의 성능을 위해서는 플라즈마 밀도의 정밀한 제어를 요구한다. 따라서 플라즈마 밀도 진단은 매우 중요하지만 현재의 방법들은 정확성과 응용성 면에서 여전히 한계를 가지고 있다. 또한 레이저-플라즈마 실험에서는 플라즈마의 밀도뿐만 아니라 가스의 밀도를 측정하는 것 또한 중요한데, 이는 가스가 이온화되어 플라즈마가 생성되기 때문이다. 그러나 플라즈마와 가스의 정밀한 진단이 필요함에도 불구하고, 현재의 방법들은 정확성과 적용성 모두에서 여전히 한계를 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하고 레이저-플라즈마 상호작용 실험에서의 플라즈마 및 기체 타겟의 밀도 측정을 보다 신뢰성 있게 수행할 수 있도록 새로운 진단 기법을 개발하는 내용을 서술하고 있다. 첫 번째로는 정밀한 플라즈마 밀도 분포 측정을 위해 새로운 이중 회절격자 기반의 differential 간섭계를 개발하였고 실험적으로 구현하였다. 기존의 간섭계 기술은 밀도 기울기가 급격한 플라즈마나 플라즈마 중심부를 측정할 때 정확도가 낮은 한계를 가지고 있었다. 본 논문에서 개발된 간섭계는 fringe 간격, shear 방향, shear 거리의 독립적인 제어를 가능하게 하여 이러한 한계를 극복하였다. 이와 같은 유연성은 급격한 밀도 기울기를 가지는 플라즈마를 differential 간섭계를 이용하여 보다 신뢰성 있고 정확하게 진단할 수 있게 하며 기존의 기술에 비교해서 우수한 성능을 보여준다. 이러한 이중 격자 간섭계를 네 빔을 이용하는 구성과 함께 가스 진단 분야로까지 확장하여 레이저 플라즈마 실험에서 흔히 사용되는 헬륨 가스의 밀도를 직접 측정할 수 있는 고감도 시스템을 개발하였다. 이 간섭계는 16비트 CCD 카메라와 2차원 밸런스드 검출 방법을 활용함으로써 기존에는 위상 변화가 미세하여 측정이 어려웠던 1×10^17 /cm^−3 수준의 헬륨 기체 밀도를 성공적으로 측정하였으며, 이는 기체 프로파일을 정밀하게 특성화하는 데 중요한 성과이다. 또한 particle-in-cell (PIC) 시뮬레이션을 수행하여 준임계밀도 (near-critical-density) 플라즈마에서 가속된 고전하 전자빔을 활용한 강력한 테라헤르츠(THz) 복사 생성 메커니즘을 연구하였다. 이를 통해 레이저-플라즈마 물리에서 고강도 테라헤르츠(THz) 복사를 생성하는 새로운 방법을 제시하였으며, 이러한 응용을 성공적으로 구현하기 위해서는 정확한 플라즈마 진단이 매우 중요하다. 결론적으로 본 논문에서 제시된 진단 시스템과 시뮬레이션 결과는 레이저-플라즈마 입자 가속기 및 복사 광원 개발을 위한 물리적 과정의 정밀한 제어 및 이해를 가능하게 하여 레이저-플라즈마 물리학 분야에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.|Plasma is used in a wide range of applications, all requiring precise control of plasma density for optimal performance. In laser-plasma experiments, it is important to measure not only the plasma density but also the gas density, since the gas is ionized to generate the plasma. However, current methods remain limited in both accuracy and applicability, despite the need for precise diagnostics of plasma and gas densities. In this dissertation, novel and improved methods for laser-plasma and gas density diagnostics are developed to address these limitations and enhance measurement reliability for plasma and gas targets in laser-plasma interaction experiments. First, a novel double-grating differential interferometer was developed and implemented for precise measurement of steep plasma density distributions. The developed interferometer overcomes the limitations of existing designs by enabling independent control of the fringe width, shear direction, and shear distance. This flexibility allows for more reliable and accurate diagnostics of plasmas with sharp density gradients using differential interferometry, outperforming conventional techniques. The double-grating interferometer, implemented with a four-beam configuration, was further extended to gas diagnostics, leading to the development of a high sensitivity system capable of directly measuring helium gas density, a gas commonly used in laser plasma experiments. The implementation of 2-D balanced detection with a 16-bit CCD camera enabled the measurement of helium gas densities on the order of 1×10^17 /cm^−3, previously undetectable due to low phase shifts, allowing accurate gas profile characterization in laser-plasma experiments. Additionally, particle-in-cell simulations were conducted to investigate a previously unexplored mechanism for generating intense THz radiation, using high-charge electron beams accelerated in near-critical-density plasmas. This may offer a novel pathway for generating high-field THz radiation in laser-plasma physics, and accurate plasma diagnostics are crucial for the successful realization of these applications. Overall, the diagnostic systems and simulation results presented in this dissertation contribute meaningful advances to the field of laser-plasma physics, enabling precise control and understanding of the physical processes that support advanced electron accelerators and radiation sources.