雷射材料加工技術突破  揭開電漿體的神秘面紗

編譯/高晟鈞

近年因為雷射材料加工技術突破,科學家得以揭開電漿體的神秘面紗。圖取自 ScitechDaily

來自耶拿大學和耶拿亥姆霍茲研究所的一個國際研究小組,正在揭開高強度雷射脈衝在固體表面產生電漿體機制的神秘面紗。

近年來,高強度的超短雷射脈衝與固體之間的相互作用推動了眾多領域的技術革新,例如雷射燒蝕可以實現高精度材料加工,從而促進醫療和電信技術中組件的小型化;雷射脈衝和固體之間的協同作用也可以產生加速離子束,用於癌症治療、核聚變研究和文物的無損分析。

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然而目前的實驗依舊難以觀測雷射脈衝加熱材料時,電漿體形成的初始過程。這也是為什麼大多數科學家在描述初始階段的數值模型時,只能對超快固體到材料做出相當模糊的假設的原因。

電漿體是什麼?

在揭開電漿體與材料的神秘面紗前,首先得理解什麼是電漿體。電漿是一種離子化氣相物質,由離子、電子和大致保持電荷中性的中性原子和/或分子組成。電漿體也被稱為等離子體,代表著物質的高能狀態,是不同於固、液和氣體的「第四態」。

電漿所產生的高能離子、電子或是反應性自由基可以去除材料表面上的汙染物,或是形成薄膜,有效地進行表面改質,包括清潔、蝕刻與活化。

從固體到電漿體

當高能量超短雷射脈衝照射到固體表面時,該表​​面被瞬間加熱到數百萬度,電子會以像是雪崩的形式從原子上剝離,形成「雲朵狀」的狀態,然後變得越來越稠密。而這一切過程僅僅發生在不到一皮秒(十億分之一秒)內。對此,研究團隊推出了一種名為「單次探測」的技術,可以將固體到熱電漿態的轉變過程可視化。

研究團隊配置一奈米厚度的透明碳箔,並將其暴露於高強度的雷射脈衝下。脈衝會在箔片上產生電漿體,並形成越來越密的自由電子雲,而變得不透明。接著,透過具有寬光譜的超短探測脈衝,研究團段將某些顏色段相對延遲或提前,來根據分離不同顏色來觀察電漿體隨時間的變化。

研究團隊表示,透過此種方法能得出材料在固態時的電離動力學,並檢查隨後轉變為電漿狀態時的加熱與膨脹現象。而這些都有助於超快雷射材料加工與雷射加速離子技術的進步

資料來源:ScitechDaily

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