Plazma indukowana laserowo i powiązany z nią proces ablacji

Nr wniosku: 212875, nr raportu: 13162. Kierownik (z rap.): dr Agata Joanna Mendys
Plazma indukowana laserowo i powiązany z nią proces ablacji laserowej znajdują liczne zastosowania,
zarówno w analizie składu chemicznego materiałów w metodach takich jak Laser Induced Breakdown
Spectroscopy (LIBS) oraz Laser Ablation Inductively-Coupled-Plasma Mass-Spectroscopy (LA-ICP-MS), jak
i w nakładaniu cienkich warstw metodą Pulse Laser Deposition (PLD) czy w laserowej mikroobróbce
materiałów.
Spektroskopia LIBS jest od lat stosowana jako metoda analizy składu chemicznego różnego typu
materiałów. W metodzie tej próbkę poddaje się działaniu impulsu laserowego, przez co z niewielkiej
objętości materiału wytworzona zostaje plazma. Plazma ta emituje promieniowanie o długościach fali
charakterystycznych dla danych pierwiastków. Przez analizę promieniowania można wyciągnąć wnioski o
składzie chemicznym badanej próbki. Prawidłowa interpretacja widma wymaga jednak znajomości
podstawowych zjawisk zachodzących w wygenerowanej plazmie.
Badania przeprowadzone w ramach projektu miały na celu lepsze poznanie fundamentalnych procesów
związanych z oddziaływaniem impulsu laserowego z materią, przekazu energii, właściwości plazmy,
dynamiki obłoku plazmowego i termodynamiki zachodzących procesów. Podstawowymi parametrami
decydującymi o właściwościach plazmy są koncentracje jej składników, a także ich temperatury. Jeżeli
temperatury nie są sobie równe, świadczy to o odstępstwach od równowagi termodynamicznej, co ma
kluczowe znaczenie dla ilościowej interpretacji widm emisyjnych używanych w spektroskopii LIBS. Z kolei
procesy powstawania i propagacji fali uderzeniowej, a także procesy chemiczne zachodzące w plazmie
mają istotny wpływ na wytwarzanie cienkich warstw.
Grupa badawcza z Zakładu Fotoniki Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego stworzyła układ
eksperymentalny pozwalający na analizę plazmy równocześnie dwoma komplementarnymi metodami –
spektroskopią emisyjną i metodami rozpraszania światła laserowego. Analiza została przeprowadzona
dla plazmy wytworzonej w gazach, a także na próbkach stałych. Metoda rozpraszania Thomsona została
zastosowana do wyznaczenia koncentracji elektronów i ich temperatury. Analiza ewolucji tych
parametrów w plazmach wytworzonych z różnych ośrodków, pozwoliła wnioskować jakie procesy mają
decydujący wpływ na ekspansję plazmy. Na tej podstawie przeprowadzono badania nad odstępstwami
od równowagi termodynamicznej w plazmie. Z kolei analiza rozpraszania Rayleigha pozwoliła
obserwować propagację fali uderzeniowej powstałej podczas generacji plazmy.
Badania prowadzone w Zakładzie Fotoniki zostały następnie rozszerzone w trakcie stażu w Lawrence
Berkeley National Laboratory o analizę metodą spektroskopii molekularnej. Analiza molekularnych widm
emisyjnych pozwoliła bliżej przyjrzeć się procesowi powstawania molekuł w plazmie ablacyjnej.
Zaobserwowano obszary plazmy, w których molekuły się tworzą, analizowano także rolę jaką w tym
procesie odgrywa otaczający próbkę gaz. Wpływ zachodzących procesów chemicznych na równowagę
termodynamiczną plazmy był obserwowany poprzez porównanie temperatury rotacyjnej i wibracyjnej
molekuł, a także przez obserwację rozkładu tych temperatur.
Współpraca nawiązana podczas stażu jest nadal kontynuowana i koncentruje się na analizie
otrzymanych danych, co powinno zaowocować wspólną publikacją.