[論文レビュー] Interaction of the ultra-short Bessel beam with transparent dielectrics: Evidence of high-energy concentration and multi-TPa pressure

Eugene G. Gamaly, Andrei V. Rode+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2017

Laser Material Processing Techniques参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、超短Besselビームが、サファイアなどの透明な誘電体において極度のエネルギー集中とマルチテラパスカル（TPa）圧力を誘発することを示している。これは従来のガウスビームを上回る。この現象は、動的な誘電率勾配がゼロ実数誘電率表面を形成し、光を収束させ、衝撃波を発生させることに起因する。その結果、大規模な円柱状空洞と圧縮されたシェルが形成され、テーブトップ型の高圧物理学および新規物質相の発見が可能になる。

ABSTRACT

It has been proven that the intense tightly focused Gauss beam (GB) generates pressures in excess of a few TPa creating the novel super-dense phases of Aluminium and silicon [1-5]. Recently it was demonstrated that the Bessel beam (BB) focused inside sapphire produced the cylindrical void being two orders of magnitude larger than that generated by the GB [6-8]. Analysis of the experimental data presented below allows making the remarkable conclusions based solely on the void size measurements without any ad hoc assumptions about the interaction process. First, the void size is direct evidence of strong (>40%) absorption of the pulse energy. Second, it is a direct experimental evidence of the high-energy concentration in the central spike of the focus. The unique features of the intense Bessel beam interaction then allow understanding the experimental observation. This interaction generates early in the pulse time the spatial distribution of excited permittivity changing from positive to negative values. Then the light interacts with zero-real-permittivity surface, separating plasma and dielectric areas, which leads to high energy concentration near the axis of cylindrical focus up to several MJ/cm3 (pressure range of 4-8 TPa). The effect depends on the angle between the permittivity gradient and the field polarisation. High pressure generates intense cylindrical shock/ rarefaction waves, which led to formation of void and compressed shell. We demonstrate that the Bessel beam proves to be an effective tool for producing extreme pressure/temperature conditions on the laboratory tabletop. It appears that adjusting polarisation and permittivity gradient might be a novel way for increasing the maximum pressure. This tool allows for search of novel high-pressure material phases, for the 3D laser machining and for creating Warm Dense Matter as those in star cores.

研究の動機と目的

• 超短Besselビームと透明誘電体の相互作用を調査し、極限的なエネルギー集中と圧力生成を探索すること。
• サファイアのような材料において、Besselビームが従来のガウスビームよりも高い圧力とより大きな空洞を生成できるかどうかを特定すること。
• 便宜的な仮定を用いない状況下でのエネルギー集中および衝撃波形成の物理的メカニズムを理解すること。
• Besselビームが新規高圧物質相および温い密度物質状態を生成するためのツールとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 10^14 W/cm²を超える強度で超短Besselビームを照射したサファイアにおける空洞形成の実験的分析。
• 理論的モデルに依存せずに、空洞のサイズ測定をエネルギー吸収および圧力生成の直接的指標として用いる。
• パルス中の動的誘電率変化の理論的モデリングにより、ビーム軸近傍で実誘電率が正から負に変化する過程を示す。
• プラズマ領域と誘電体領域を分離するゼロ実数誘電率表面の同定により、強い光の閉じ込めとエネルギー集中が可能になる。
• 誘電率勾配と電場偏光のなす角度がエネルギー集中に与える依存性の分析。
• 衝撃波ダイナミクスが円柱状空洞および圧縮シェルの形成を引き起こすことを、数値的および実験的に検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超短Besselビームは、高精度集光を要さずに、透明誘電体で4 TPaを超える圧力を生成できるか？
• RQ2 Besselビーム照射下のサファイアにおける高いエネルギー集中および空洞形成を可能にする物理的メカニズムは何か？
• RQ3 ビームの偏光が誘電率勾配に対してどのような角度をとるかが、エネルギー局在化および圧力生成に与える影響は何か？
• RQ4 空洞のサイズが、吸収されたパルスエネルギーおよびピーク圧力の直接的な実験的測定にどの程度適しているか？
• RQ5 Besselビームは、実験室で温い密度物質状態を生成するスケーラブルなプラットフォームとして利用可能か？

主な発見

• Besselビームは、同等条件下でガウスビームが生成するものと比較して、2桁大きい円柱状空洞をサファイアに形成した。
• 空洞サイズの測定から、入射パルスエネルギーの40％以上が吸収された直接的な実験的証拠が得られた。
• エネルギー集中は最大で数メガジュール毎立方センチメートル（MJ/cm³）に達し、4–8 TPaの圧力に対応した。
• パルス中におけるゼロ実数誘電率表面の形成が、ビーム軸付近での強い光の閉じ込めとエネルギー集中を可能にした。
• 圧力生成は、電場偏光と誘電率勾配のなす角度に強く依存しており、調整可能なメカニズムであることが示された。
• 相互作用により、強い円柱状衝撃波および希薄化波が発生し、圧縮シェルと大規模な中心空洞が形成された。