[논문 리뷰] Interaction of the ultra-short Bessel beam with transparent dielectrics: Evidence of high-energy concentration and multi-TPa pressure

Eugene G. Gamaly, Andrei V. Rode외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 28.

Laser Material Processing Techniques참고 문헌 6인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 초단파 Bessel 빔이 사파이어와 같은 투명한 유전체에서 극도로 높은 에너지 농축과 다수 테라파스칼(10^12 Pa) 압력을 유도함을 보여주며, 기존의 가우시안 빔보다 높은 압력을 생성한다. 이 효과는 동적 허수율 기울기를 통해 발생하며, 실수부 허수율이 0인 표면을 형성하여 빛을 집중시키고 충격파를 생성함으로써 큰 원통형 공극과 압축된 쉘을 형성한다. 이는 테이블탑 고압 물리학 및 새로운 물질 상의 발견을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초단파 Bessel 빔이 투명한 유전체와 상호작용할 때 극한의 에너지 농축과 압력 생성을 탐구하기 위해.
• Bessel 빔이 사파이어와 같은 재료에서 기존의 가우시안 빔보다 더 높은 압력과 더 큰 공극을 생성할 수 있는지 확인하기 위해.
• 추가적인 가정 없이 에너지 농축과 충격파 형성의 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• Bessel 빔이 새로운 고압 물질 상과 따뜻한 밀도 물질 조건을 생성하는 도구로서의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 10^14 W/cm²를 초과하는 강도로 초단파 Bessel 빔을 사파이어에 조사한 후 공극 형성에 대한 실험적 분석.
• 이론적 모델에 의존하지 않고도 에너지 흡수와 압력 생성의 직접적 지표로 공극 크기 측정을 사용.
• 펄스 동안 동적 허수율 변화를 이론적으로 모델링하여 빔 축 근처에서 실수부 허수율이 양에서 음으로 전이되는 것을 보여줌.
• 플라즈마 영역과 유전체 영역을 분리하는 실수부 허수율이 0인 표면의 식별으로 강한 빛의 집중과 에너지 농축을 가능하게 함.
• 허수율 기울기와 전기장 편광 방향 간의 각도가 에너지 농축에 미치는 영향 분석.
• 충격파 역학이 원통형 공극과 압축된 쉘 형성으로 이어지는 수치적 및 실험적 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초단파 Bessel 빔은 좁은 집중 조건 없이도 투명한 유전체에서 4 테라파스칼을 초과하는 압력을 생성할 수 있는가?
• RQ2 Bessel 빔 조사 조건에서 사파이어에서 관찰된 극한의 에너지 농축과 공극 형성의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 허수율 기울기와의 상대적 편광 방향이 에너지 국소화와 압력 생성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 공극 크기가 흡수된 펄스 에너지와 최대 압력의 직접적인 실험적 측정으로서의 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 Bessel 빔은 실험실에서 따뜻한 밀도 물질 조건을 생성하기 위한 확장 가능한 플랫폼으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• Bessel 빔은 동일 조건에서 가우시안 빔보다 두 배수 정도 더 큰 원통형 공극을 사파이어에 형성하였다.
• 공극 크기 측정을 통해 입사 펄스 에너지의 40퍼센트 이상 흡수에 대한 직접적인 실험적 증거를 확보하였다.
• 에너지 농축은 최대 1 cm³당 수 메가줄(10^6 J) 수준에 도달하였으며, 이는 4–8 테라파스칼(TPa) 압력 범위에 해당한다.
• 펄스 기간 동안 실수부 허수율이 0인 표면 형성이 발생하여 빛의 강한 집중과 빔 축 근처의 에너지 농축이 향상되었다.
• 압력 생성은 전기장 편광 방향과 허수율 기울기 간의 각도에 매우 민감하여 조절 가능한 메커니즘이라는 것이 밝혀졌다.
• 상호작용은 강력한 원통형 충격파와 극도로 압축된 쉘, 그리고 큰 중심 공극 형성으로 이어지는 강한 충격파 및 희석파를 생성하였다.