npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
Qrcode

Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 667-672

Published online August 31, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.667

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Results of the Gas Cell Development Using a fs Laser Micro-machining System

펨토초 레이저 미세가공 시스템 및 가스셀 개발 연구

Hyunil Benjamin KIM, Kyungmin ROH, Venessa Ling Jen PHUNG, Keekon KANG, Hyyong SUK*

Department of Physics and Photon Science, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), Gwangju 61005, Korea

Correspondence to:hysuk@gist.ac.kr

Received: May 10, 2021; Revised: July 20, 2021; Accepted: July 20, 2021

In this paper, we report the development results for a femtosecond (fs) laser machining system and a gas cell for laser wakefield acceleration research. The developed fs laser machining system consists of a mode-locked Ti:sapphire oscillator, a Ti:sapphire regenerative amplifier, a three-dimensional-moving stage, etc. The system is used to micro-machine a special-type gas cell, that will be used as a plasma source in laser-plasma acceleration research. The gas cell was designed following computational-fluid-dynamics (CFD) simulations, and the internal gas distribution in the gas cell was measured by using a Mach-Zehnder interferometer. In this paper, some of the development and research results for the laser micro-machining system and the gas cell are reported.

Keywords: Laser micro-machining, Computational-fluid-dynamics (CFD) simulation, Interferometer, Laser, Gas cell

본 논문에서는 레이저-플라즈마 가속 연구를 위한 펨토초 레이저 미세가공 시스템 개발 및 그것을 이용한 가스셀(gas cell) 개발 결과를 기술한다. 본 연구에서 개발된 펨토초 레이저 미세가공 시스템은 Ti:sapphire 공진기(oscillator), Ti:sapphire 재생증폭기(regenerative amplifier), 가공하고자 하는 물체를 3차원적으로 움직일 수 있는 stage 등으로 구성되어 있으며, 사파이어를 3차원적으로 가공하는 데 사용함으로써 특수한 가스셀을 개발하여 레이저-플라즈마 가속 연구에 사용하고자 한다. 전산유체역학 시뮬레이션(computational-fluid-dynamics simulation) 방법을 사용하여 가스셀을 설계하였으며, 가스셀 내부로 질소 가스를 주입하였을 때의 가스 밀도 분포를 Mach-Zehnder 레이저 간섭계를 사용하여 측정하였다. 본 논문에서는 레이저 미세가공 시스템과 가스셀 개발 연구의 상세한 내용을 보고하고자 한다.

Keywords: 레이저 미세가공, 전산유체역학, 간섭계, 레이저, 가스셀

고출력 레이저 펄스와 플라즈마를 사용하여 전자와 같은 하전입자들을 아주 짧은 거리에서 고에너지로 가속하고자 하는 레이저-플라즈마 가속에서는 마이크로파를 주로 사용하는 기존의 가속 방법보다 훨씬 더 강력한 가속 전기장을 발생시킬 수 있다 [1]. 이러한 레이저-플라즈마 가속을 위해서는 플라즈마 소스(plasma source)가 필요한데 가스셀(gas cell) 과 가스젯 (gas jet) 이 일반적으로 사용된다 [2,3]. 즉, 가스셀과 가스젯에 고출력 레이저 펄스를 아주 작은 크기로 집속시켜 가스 원자들을 이온화시킴으로써 플라즈마로 만들고, 레이저 펄스와 플라즈마의 상호작용에 의해 발생하는 초강력 전기장으로 전자와 같은 하전입자들을 수 mm의 아주 짧은 거리에서 수백 MeV 이상의 고에너지로 가속할 수 있다.

하지만 고압의 가스젯은 레이저 펄스가 진행하는 방향으로 공간적 밀도분포가 불균일하고 불안정한 단점이 있다. 반면에 가스셀은 가스젯에 비해 훨씬 더 안정적이며 공간적으로도 균일한 밀도 분포를 가지고 있다. 더군다나 본 연구에서 제시하는 특수한 형태의 모세관 가스셀을 사용하면 레이저 펄스가 진행하는 방향으로의 공간적 밀도 분포도 조절할 수 있어서 가속되는 전자 에너지를 더욱 높일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 그러한 목적으로 특수한 형태의 모세관 가스셀 (capillary gas cell) 을 설계하고 제작한 후 동작특성까지 규명하고자 한다. 이를 위하여 실험실에 있는 티타늄:사파이어 공진기(Ti:sapphire oscillator)와 재생증폭기를 사용하여 3차원 미세가공 시스템을 자체적으로 개발하였다. 특수 형태의 모세관 가스셀 구조 설계를 위해서는 전산유체역학(computational-fluiddynamics, CFD) 시뮬레이션 방법을 사용하였으며, 레이저 미세가공 시스템을 사용하여 정밀제작 하였고, Mach-Zehnder 레이저 간섭계 [4]를 이용하여 가스셀 내부의 가스 밀도 분포를 측정하였다. 본 논문에서는 이와 관련하여 상세한 연구결과를 보여주고자 한다.

본 연구에서의 가스셀은 경도가 매우 높은 사파이어로 만들어져 있을 뿐만 아니라 특수한 형태의 3차원적 구조로 설계되어 있기 때문에 기계적 방법으로 쉽게 가공할 수가 없다. 따라서, 본 실험실에서는 실험실에 있는 기존의 펨토초 레이저를 사용하여 레이저 미세가공 시스템 (laser micro-maching system) 을 자체적으로 개발하였다. 펨토초 레이저를 이용하여 물질을 가공하면 나노초 레이저를 사용하는 경우와 비교하여 표적 물질과의 작용시간이 짧아 열적 영향이 적고 가공 후 물질의 파편이나 먼지가 적게 발생하는 장점도 있다. 또한 펨토초 레이저 가공의 특성상 더 정밀한 가공이 가능하다 [5].

펨토초 레이저 미세가공을 위하여 Fig. 1과 같은 광학 시스템을 구축하였다. 파장 800 nm, 펄스당 에너지 2 nJ, 펄스폭 20 fs, 반복율 80 MHz의 레이저 펄스를 발생시키는 Ti:sapphire 공진기에서 나오는 시드빔 (seed beam)을 chirped-pulse amplification(CPA) 방법을 통해 Ti:sapphire 재생증폭기에서 에너지를 증폭한다. 증폭한 후 펄스당 에너지 4 mJ, 펄스폭 40 fs, 반복율 1 kHz의 레이저빔이 발생하게 된다. 재생증폭기에서 나온 레이저빔을 레이저 가공에 직접 사용하기에는 에너지가 너무 크므로 편광판과 반파장판 (half-wave plate) 등을 이용하여 레이저 가공에 적합한 14 µJ 내외로 줄인 후 50 mm 초점거리의 볼록렌즈로 보내어 표적물질 표면에 약 18 µm 크기의 아주 작은 점으로 집속하였다. 이때 집속되기 전의 레이저빔 크기는 약 10 mm였다. 집속된 레이저빔의 세기는 약 5.5 J/cm2 이며 사파이어 가공에 적절한 범위의 레이저 세기이다 [6]. 표적물질인 사파이어 판은 3축 스테이지 위에 고정되어 있고, LABVIEW 프로그램을 이용하여 스테이지의 움직임을 3차원적으로 제어함으로써 사파이어 판을 3차원적으로 가공할 수 있었다. 이렇게 사파이어 판을 정밀하게 가공하여 특수한 형태의 모세관 가스셀을 제작할 수 있었다.

Figure 1. (Color online) Schematic of the fs laser micromachining system.

레이저 미세가공에 가장 적합한 레이저 펄스 에너지를 찾기 위해 에너지를 조금씩 변화시켜 가며 사파이어 판에 조사하여 표면 상태를 관찰했다. Fig. 2는 (a) – (c)에서 10 µJ부터 18 µJ까지 에너지를 변화시켜 가며 조사한 사파이어 표면의 가공 상태를 보여준다. 에너지가 작은 (a)에서는 사파이어 표면이 제대로 가공되지 않았고, (b)에서는 제대로 가공되었으며, (c)에서는 레이저 에너지가 너무 커서 표면 일부가 깨어진 모습을 볼 수 있다. 이 실험을 통해 레이저 펄스당 에너지가 대략 16 µJ 부근이 되면 사파이어 가공에 적합한 에너지인 것을 확인할 수 있었다.

Figure 2. (Color online) Laser micro-machined sapphire surface for different laser pulse energies: (a) 10 µJ, (b) 16 µJ, and (c) 18 µJ.

레이저 가공 시스템을 이용한 가스셀 제작을 위해 시험적으로 100 µm 지름을 가진 모세관 구멍을 사파이어 판에 가공하였다. 원형의 구멍을 한꺼번에 만들 수는 없으므로 반원형의 구멍을 새긴 사파이어 판 두 개를 서로 마주보며 합치는 방법을 사용하면 된다. 이를 위하여 3축 스테이지를 움직이는 LABVIEW 알고리즘을 개발하였다. Figure 3은 사파이어 판에 반지름 50 µm의 반원형 구멍을 새긴 모습인데 현미경을 통해 500배로 확대한 이미지이다. 이를 통해 자체 개발한 3차원 레이저 미세가공 시스템은 잘 작동함을 확인할 수 있었다.

Figure 3. (Color online) Magnified picture of the laser micro-machined sapphire plate, where a half-hole groove with a radius of 50 µm was formed on the sapphire surface (magnification: 500 times).

가스셀은 진공 속에서 사용하게 되는데 가스를 펄스 형태로 내부에 주입해야 하므로 가스셀 설계를 위해서는 기체의 동력학적 연구가 필수적이다. 기체동력학에 기반을 둔 가스셀 설계를 위해 ANSYS사의 전산유체역학 시뮬레이션 프로그램인 FLUENT [7]를 이용하여 가스셀의 동작 특성을 전산모의 하였다. 전산유체역학 시뮬레이션은 다음과 같은 Navier-Stokes 방정식을 기반으로 점성을 가진 유체의 흐름을 계산한다 [8]:

υt+υυ=f1ρp+ν 2υ.

이 식에서 υ 는 속도이며 f 는 단위 체적당 인가되는 외력, p는 압력, ρ는 밀도, ν 는 유체의 점성계수이다.

본 연구실에서 기존에 설계한 가스셀에서는 Fig. 4(a)에서와 같이 서로 떨어져 있는 2개의 가스 주입 라인(gas feedline)의 넓이와 압력을 다르게 하여 고출력 레이저 펄스가 진행하는 방향으로 플라즈마 밀도가 점차 증가하도록 설계되었다 [9]. 모세관의 길이가 7 mm 이고 정사각형의 모세관 단면 한 변의 길이가 350 µm인 이 가스셀에서는 첫 번째 가스주입라인에서는 350 µm의 가스관에 200 mbar 압력으로 가스를 주입하고 두번째 가스주입라인에서는 1400 µm의 가스관에 600 mbar 압력으로 주입함으로서 가스의 밀도가 점차 증가하는 분포를 가지도록 만들어졌다. 하지만 이 가스셀의 밀도분포는 Fig. 5의 파란색 점선과 같이 처음에는 거의 증가하지 않다가 갑자기 크게 증가하는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방법을 본 연구에서는 CFD 시뮬레이션을 통해 찾아내었다. 이 연구에서 새로 설계한 가스셀에서는 Fig. 4(b)에서와 같이 모세관의 넓이를 조절함으로써 밀도 분포를 조절할 수 있음을 알 수 있다. Figure 4Fig. 5의 결과는 모세관의 넓이를 임의로 조절할 수 있으면 밀도 분포도 조절 가능함을 명확하게 보여준다.

Figure 4. (Color online) Computational-fluid-dynamics simulation result for the gas cells: (a) flat type gas cell (old design) and (b) curved type gas cell (new design).

Figure 5. (Color online) CFD simulation result for the gas density distribution in the capillary gas cell. The dotted blue line and the solid red line are for the flat type gas cell and the curved type gas cell, respectively.

가스셀의 동작 특성을 확인하기 위해 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interfrometer를 이용하여 가스셀 내부의 가스밀도 분포를 분석하였다. 기체 속을 통과하는 레이저 빔은 위상차를 겪게 되므로 간섭계의 간섭무늬로부터 위상차를 측정하면 기체의 밀도를 측정할 수 있다. 이 때 위상차 Δϕ는 다음과 같이 표현된다:

Δϕ=kn1L.

이 식에서 k 는 간섭계에서 사용하는 레이저의 파수 벡터(wave vector), n은 레이저가 통과하는 물질의 굴절률, L은 레이저가 지나가는 물질의 길이이다. 측정된 위상차를 이용해 측정할 가스의 굴절율을 구할 수 있고, 굴절률은 가스의 밀도와 다음과 같은 관계를 가지고 있다 [4,10]:

n=ρgas×3A2W×mmol+1.

여기서 ρgas 는 가스의 밀도이고 W 는 몰질량이며 A는 몰 굴절률, mmol 은 분자들의 질량이다. 이 식을 사용하면 마하-젠더 간섭계를 사용하여 측정한 굴절률을 통해 가스의 밀도를 도출해 낼 수 있다.

사용된 가스셀은 자체 개발한 레이저 가공시스템을 통해 제작하였다. Figure 4의 (a) 와 (b) 에서 보여주는 설계대로 가스셀 2개를 제작하여 동작특성을 비교하고자 하였다. 우선 Fig. 4(a) 유형의 가스셀을 제작하였는데 Fig. 6이 조립된 모습을 보여주고 있다. 모세관 단면이 정사각형인 이 가스셀에 질소 가스를 주입하여 가스밀도 분포를 측정하였다. Feedline 1에 200 mbar의 압력으로 질소 가스를 주입하였고 feedline 2 에 600 mbar의 압력으로 질소 가스를 주입하였다.

Figure 6. (Color online) Magnified picture of the assembled flat type gas cell.

가스셀 내부의 밀도 분석을 위해 원형의 진공챔버 안에 마하 젠더 간섭계를 Fig. 7과 같이 설치하였다. 사용된 레이저는 Nd:YAG 레이저로 파장변조된 532 nm의 파장을 가진 레이저를 이용하였으며, 가스셀의 가스 주입 벨브와 Nd:YAG 레이저를 시간적으로 동기화시켜 사용하였다. Figure 7의 Mach-Zehnder 간섭계에서는 Nd:YAG 레이저 빔 펄스를 beam splitter를 사용하여 2개로 나눈 후, 하나는 측정하고자 하는 가스셀을 통과시키고 다른 하나는 진공 속을 통과시켜 간섭 무늬를 만들었다. 고출력 레이저 펄스가 진행할 가스셀 종방향의 밀도 분포를 측정하기 위한 것이므로 간섭계의 레이저빔이 가스셀과 수직인 횡방향으로 통과하게 배치하였다. 간섭무늬는 CCD 카메라에 렌즈를 추가해 확대하여 봄으로써 Fig. 8과 같은 간섭 무늬를 얻을 수 있었다.

Figure 7. (Color online) Mach-Zehnder interferometry setup for measurement of the longitudinal gas density distribution in the capillary gas cell. BS: beam splitter.

Figure 8. (Color online) Interferograms in the Mach-Zehnder interferometer for the flat type gas cell: (a) Full size interferogram covering the entire gas cell and (b) enlarged image of the red box area in (a) without and with nitrogen gas injection, respectively. Note that a significant phase shift Δϕ occurs in the the gas-filled capillary cell.

Figure 8(a)는 가스셀 전체를 찍은 간섭 무늬이며, (b)는 (a)의 붉은색 네모 안을 확대하여 가스가 주입되어 있을 때와 진공일 때의 간섭무늬 패턴을 비교한 사진이다. 가스가 주입되어 있을 때는 진공일 때와 굴절율이 달라져서 해당 부분만 간 섭무늬의 위치가 달라져서 위상차를 측정할 수 있다.

MATLAB 프로그램을 이용하여 Fig. 8의 간섭 무늬에 나타난 위상을 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)을 이용하여 분석하여 가스가 채워진 간섭 무늬와 진공에서의 간섭 무늬의 위상차이를 구하여 이를 이용하여 가스 밀도 분포를 얻을 수 있었다. Figure 9Fig.6의 flat type 가스셀에 질소 가스를 주입시켰을 때의 밀도 분포를 보여주고 있다. 이 실험 결과는 Fig. 5의 파란 점선으로 표시된 시뮬레이션 결과와 비슷하여 밀도가 처음에는 별로 증가하지 않다가 점차 증가하는 분포를 하고 있다. 이와 같은 분포보다는 Fig. 5의 붉은 실선과 같은 밀도 분포가 더 좋으므로 Fig. 4(b)와 같은 설계의 가스셀을 제작하여 현재 동작특성을 실험 중에 있다.

Figure 9. (Color online) Gas density distribution of the flat type gas cell filled with nitrogen.

본 연구에서는 특수한 형태의 모세관 가스셀 제작을 위해 펨토초 레이저를 이용한 3차원 미세가공 시스템을 성공적으로 개발하였다. 또한, 전산유체동력학 시뮬레이션 연구를 통해 더 나은 구조의 curved type 모세관 가스셀 구조를 찾을 수 있었다. 본 연구에서 개발한 3차원 레이저 미세가공 시스템을 사용하여 flat type 가스셀과 curved type 가스셀을 제작하였으며, flat type 가스셀의 경우에는 Mach-Zehnder 간섭계를 사용하여 가스셀 내부의 가스 밀도 분포도 측정하였다. Curved type 가스셀은 제작을 완료하여 현재 동작특성을 실험하고 있는 중이며 조만간 그 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 이 연구를 통해 얻은 새로운 구조의 모세관 가스셀은 앞으로 본 실험실의 20 TW/35 fs 고출력 레이저 시스템과 결합하여 더욱 고에너지의 전자빔을 얻기 위한 레이저-플라즈마 가속 연구에 활용할 예정이다.

  1. T. Tajima and J. M. Dawson, Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979).
    CrossRef
  2. A. E. Hussein et al, Sci. Rep. 9, 3249 (2019).
    CrossRef
  3. J. P. Couperus et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 830, 504 (2016).
    CrossRef
  4. V. P. Kulesh, Measurement techniques 39, 162 (1996).
    CrossRef
  5. B. C. Stuart et al, Opt. Soc. Am. B 13, 459 (1996).
    CrossRef
  6. X. C. Wang et al, Appl. Surf. Sci. 228, 221 (2004).
    CrossRef
  7. Information for the Ansys student version, https://www.ansys.com/kokr/academic/students/ansys-student.
  8. R. W. Fox, A. T. McDonald and J. W. Mitchell, Fox and McDonald's Introduction to Fluid Mechanics. (WILEY, New York City, 2015), Chap. 5.
  9. J. Kim et al, Rev. Sci. Instrum. 92, 023511 (2021).
    CrossRef
  10. B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics. (WILEY, New York City, 2008), Chap. 2.

Stats or Metrics

Share this article on :

Related articles in NPSM