サファイアの超高速レーザー誘起フィラメントのプラズマダイナミクスに及ぼす周囲ガスの影響を明らかにした

Influence of ambient gases on plasma dynamics of ultrafast laser-induced filamentation in sapphires.

• Rui Ma
• Lingfei Ji
• Tianyang Yan
• Litian Zhang
• Tong Zhang

抄録

サファイアのピコ秒レーザー誘起フィラメントに対する大気の影響を、Ar, N, Oの条件で、同軸ノズルを用いて調べた。プラズマ全体の空間的・時間的な変化を、時間分解型強化電荷結合素子(ICCD)を用いてナノ秒の時間スケールで解析した。大気によるサファイアのフィラメントの制御は、表面アブレーションプラズマによるレーザーエネルギーの変調に起因すると考えられる。物理モデルを用いて、表面プラズマに影響を与える重要な因子は、雰囲気ガスの熱伝導率であることを明らかにした。熱伝導率の高い雰囲気ガスは、熱交換効率が高いため、表面プラズマの温度や膨張量を効果的に低減することができる。また、レーザーエネルギーの散乱・吸収を低減するのに役立つ。本研究では、環境ガスのフィラメントへの影響メカニズムを理解することが重要であり、特に固体媒体中に誘起されるフィラメントを制御するための信頼性の高い方法を提供することが重要であると考えています。

The atmospheric influence on picosecond laser-induced filamentation in sapphires was investigated under Ar, N and O conditions provided by a coaxial nozzle. The spatial and temporal evolution of the whole plasma was analyzed on a nanosecond time scale by a time-resolved intensified charge-coupled device (ICCD). The regulation of the filamentation in sapphires by the atmosphere can be attributed to the modulation of the laser energy by surface ablation plasma. The thermal conductivity of the ambient gas is found to be the key factor affecting the surface plasma through a physical model. Ambient gas with higher thermal conductivity can effectively reduce the surface plasma temperature and expansion volume due to higher heat exchange efficiency. It is helpful for reducing the scattering and absorption of the laser energy. Therefore, the longest filamentary track and plasma lifetime were obtained in O, which has higher thermal conductivity than Ar and N. It is essential to understand the influence mechanism of ambient gas on filamentation, especially by providing a reliable method to regulate the filamentation induced in solid media.