Study on the light-matter interactions with pulsed lasers and the ultrashort soft x-ray generation

Abstract

We present the study on the light-matter interactions with pulsed lasers and the ultrashort soft x-ray generation. A laser produces a variety of interactions with the target material, depending on energy, wavelength, pulse duration and so on. The nanosecond pulsed laser mainly generates thermal interaction with the target material by transferring the photon energy, whereas the femtosecond pulsed laser causes the interaction with electrons of target material by the intense electric field. In this paper, we studied the interaction between nanosecond laser and target species by using gas and liquid materials as environmental material. When the characteristic emission was analyzed by laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) on solid targets, the effect of inert gas was investigated through the observation of the interaction between photons and electrons. Besides this, laser pulses of low fluence were irradiated to the Si wafer in water medium to confirm non-thermal transition and surface modulation by photons. In case of femtosecond lasers, the characteristics of high energy radiation generated from the solid target by ultrashort intense laser were surveyed. Therefore, several experiments on energy conversion through photons using lasers and materials in various states were performed as follows. Firstly, in LIBS experiments using a nanosecond pulsed laser, the inert gas pulses were injected synchronously with the laser pulses and the laser beam was focused on the aluminum surface to form a plasma. The radiation signal from the target substance became enhanced through effective conversion between photon energy and electron kinetic energy. The temporal and spatial dependence of the LIBS signal on the buffer gas was examined to optimize the signal enhancement effect. Using the LIBS signal, the spatial distribution profile of the argon gas jet ejected from the nozzle was identified. Additionally, spectrally-dispersed plasma plumes were observed along the height to examine the spatial characteristics of ionic and atomic emission by the gas pulse jet. These methods applied to several substances, and which improved the detection performance, especially for low density material. Secondly, nanosecond laser pulses at low fluence were applied to silicon wafer in water medium and formed a self-organized microporous concave cell array structure on the surface. We examined the phenomena in terms of the thermodynamics and photochemical reactions. Laser pulses gradually change the thermophysical and optical properties of silicon through the adsorption and the generation of free carrier at the interface between the solid and the liquid material, eventually leading to non-thermal melting transition. The nanosecond pulsed laser produced the intermolecular flow and the change of nanostructure on a time scale of discontinuous pulses and finally formed a thermodynamic convection pattern. Thirdly, a tabletop ultrafast soft x-ray was generated and important characteristic parameters of which were investigated. The extremely compressed femtosecond pulse energy in time scale was spatially re-focused onto the aluminum tape target to generate high energy radiation from the plasma. An alternative method to estimate the size of the x-ray source beam was suggested and the diameter obtained was 9.76 μm. The Al Kα monochromatic beam was refined in three ways by the W/Si multilayer, the flat quartz and the bent thallium acid phthalate (TLAP) crystal, and their energy resolutions were analyzed by x-ray diffraction. These results show that the photon energy can be converted into the electron kinetic energy of the inert gas, or can create free carriers in the conduction band of silicon to make the intermolecular flow. As a result, the effect of the emission signal in LIBS was observed, and surface modulation was possible through non-thermal transition of solid material at low laser energy. Also, for intense femtosecond laser pulses, ultrashort soft x-rays with high energy radiation beams were obtained by multiphoton absorption. Therefore, we have observed various types of photon energy conversion using pulse lasers and confirmed that it is possible to apply physical phenomena accordingly.|펄스 레이저를 이용한 빛과 물질의 상호작용과 극초단 연엑스선 발생에 관한 연구를 진행하였다. 레이저는 에너지, 파장, 펄스 지속 시간 등에 따라 대상 물질과 다양한 상호작용을 만들어 낸다. 나노초 펄스 레이저는 광자 에너지 전달을 통해 대상 물질과 주로 열적인 상호작용을 만들어 내는 반면, 펨토초 레이저는 강력한 전자기장에 의해 대상 물질의 전자들과의 상호작용을 만들어 낸다. 본 논문에서는 기체와 액체 물질을 주변 물질로 이용하여 타겟 물질과 나노초 레이저 간의 상호작용을 연구 하였다. 고체 타겟에 대해 레이저 유도 플라즈마 분광법(LIBS)으로 특성 방출선을 분석하여, 광자와 전자간 상호작용을 관찰하여 불활성 기체의 효과를 조사하였다. 또, 낮은 에너지의 레이저를 물속에 있는 실리콘 웨이퍼에 조사하여 광자에 의한 비가열 전이 현상과 표면 변화를 확인하였다. 펨토초 레이저의 경우, 극초단 고출력 레이저에 의해 고체 타겟에서 생성된 높은 에너지를 가진 방사선의 특성을 조사하였다. 따라서, 다양한 상태의 물질들과 레이저를 이용하여 광자를 통한 에너지 변환에 대한 몇 가지 실험들이 다음과 같이 수행되었다. 첫번째로, 나노초 펄스 레이저를 이용한 LIBS 실험에서는 불활성 기체 펄스를 레이저 펄스와 동기화 시켜 분사시키고 레이저 빔을 알루미늄 표면에 집광하여 플라즈마를 형성시켰다. 광 에너지와 전자의 운동 에너지간의 효과적인 변환을 통해 타겟 물질에서 방출되는 신호는 증강되었다. 신호 증대 효과를 최적화하기 위해 버퍼 기체에 대한 LIBS 신호의 시공간적 의존성을 조사하였다. LIBS 신호를 이용하여, 노즐에서 분사되는 아르곤 기체의 공간적 분포를 확인하였다. 또한, 스펙트럼적으로 분산된 플라즈마를 높이에 따라 관찰하여, 아르곤 기체 펄스에 의한 이온과 원자 방출의 공간적 특성을 조사하였다. 이러한 방법들은 몇 가지 물질에 적용되었고, 특히 낮은 밀도의 물질에 대해서 검출 성능을 향상 시켰다. 두번째로, 낮은 에너지의 나노초 레이저 펄스를 물속의 실리콘 웨이퍼에 조사시켜 표면에 자가형성된 마이크로 크기의 오목한 다공성 쎌 배열 구조를 만들었다. 열역학적 그리고 광화학적 반응의 측면에서 이러한 현상들이 조사되었다. 레이저 펄스는 고체와 액체 물질 사이의 계면에서 자유 캐리어의 흡착 및 생성을 통해 실리콘의 열물리 및 광학적 특성을 점진적으로 변화시켜 비열용융 전이를 유도한다. 나노초 펄스 레이저는 비연속적인 펄스의 시간 스케일에서 분자간 흐름과 나노 구조의 변화를 만들어 최종적으로 열역학적 대류 패턴을 형성시켰다. 세번째로, 탁상형 초고속 연엑스선이 생성되었고 그에 대한 중요한 특성 파라미터들이 조사되었다. 시간 스케일에서 극도로 압축된 펨토초 펄스 에너지는 알루미늄 테이프 타겟에 공간적으로 다시 집광되어 높은 에너지의 방사선을 플라즈마로부터 생성한다. 레이저에 의해 생성된 엑스선 소스 빔의 크기를 추정하는 방법이 제안되었고, 이를 이용하여 엑스선 광원의 직경을 계산하여 보았다. 단색광의 알루미늄 Kα 빔을 텅스텐 실리콘 다층 결정, 평판형 석영 결정과 곡선형 TLAP(Thallium Acid Phthalate) 결정을 이용하여 만들었으며, 각각의 에너지 분해능을 엑스선 회절 기법으로 분석하였다. 이러한 결과들은 광자 에너지가 불활성 기체의 전자 운동 에너지로 변환될 수 있거나, 실리콘의 전도대에 자유 캐리어를 생성하여 분자간 흐름을 만들 수 있음을 보여준다. 이로 인해 LIBS에서의 방출 신호의 증대 효과를 볼 수 있었고, 낮은 레이저 에너지에서 고체 물질의 비열 상전이를 통해 표면 변조가 가능하였다. 또한, 고출력 펨토초 레이저 펄스에 대해서는 다중광자 흡수에 의해 극초단 연엑스선을 얻을 수 있었다. 따라서, 본 연구를 통해 레이저를 이용한 다양한 형태의 광자 에너지 변환을 관찰하였고, 그에 따른 물리적 현상의 응용이 가능함을 확인 할 수 있었다.