Simulazione numerica del laser

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4085 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio è stato proposto un modello numerico dell'espansione del plasma sulla superficie di una goccia basato sul metodo del plasma iniziale. Il plasma iniziale è stato ottenuto attraverso la condizione al contorno dell'ingresso di pressione e sono stati studiati l'effetto della pressione ambientale sul plasma iniziale e l'espansione adiabatica del plasma sulla superficie delle goccioline, compreso l'effetto sulla distribuzione della velocità e della temperatura. I risultati della simulazione hanno mostrato che la pressione ambientale è diminuita, portando ad un aumento del tasso di espansione e della temperatura, e quindi si è formata una dimensione del plasma maggiore. L'espansione del plasma crea una forza motrice all'indietro e alla fine avvolge l'intera gocciolina, indicando una differenza significativa rispetto ai bersagli planari.

Il plasma prodotto dal laser (LPP) è stato ampiamente studiato in molte applicazioni, come la fusione a confinamento inerziale, la deposizione laser pulsata nella scienza dei materiali e la litografia1,2. La litografia ultravioletta estrema (EUV) è considerata una tecnologia promettente per la produzione di dispositivi a semiconduttore di prossima generazione con risoluzioni inferiori a 5 nm3,4. LPP è stato sviluppato per la sorgente luminosa EUV grazie alla sua elevata efficienza, scalabilità di potenza e libertà spaziale attorno al plasma5,6. Nella sorgente luminosa EUV, le goccioline metalliche come bersagli vengono irradiate dal laser pulsato per creare plasma caldo e denso ed emettere luce EUV.

Quando un laser ad alta potenza irradia la superficie della goccia, causerà una violenta deformazione e rottura della goccia. La propulsione indotta dal laser pulsato e la forte deformazione su una goccia d'acqua sono state studiate da Klein et al.7. L'apparato per controllare e visualizzare è stato discusso in dettaglio8. Sebbene la risposta fluidodinamica delle gocce di metallo e d'acqua all'impatto del laser sia analoga, il meccanismo di propulsione è notevolmente diverso9. Il motivo principale è la generazione di plasma ad alta temperatura sulla superficie della goccia metallica.

L'evoluzione del plasma gioca un ruolo chiave nel processo di generazione di EUV da goccioline metalliche irradiate da un laser ad alta potenza. In particolare, i parametri dello stato del plasma determinano l'assorbimento dell'energia laser e le caratteristiche della radiazione EUV. Sato et al. hanno misurato il profilo spaziale della densità elettronica, della temperatura elettronica e della carica ionica media utilizzando una tecnica di diffusione Thomson (TS)10. Hanno scoperto che il profilo spaziale differiva con diverse condizioni del plasma. In tutte le condizioni del plasma, un'intensa emissione EUV è stata osservata solo a una temperatura elettronica sufficientemente elevata e in un intervallo di densità elettronica adeguato. Sasaki et al.11 hanno sottolineato che un'elevata efficienza di conversione (CE) si ottiene con plasma a bassa densità, che viene prodotto irradiando prima una microgocciolina di stagno mediante il laser pre-impulso per produrre il plasma preformato. Dopo l'irradiazione laser pre-impulso, il plasma si espande fino a 10 volte il raggio iniziale e la densità diminuisce fino a 0,001 rispetto alla densità solida. Schupp et al.12 hanno scoperto che l'intensità del laser è il parametro pertinente che imposta la temperatura del plasma e la distribuzione dello stato di carica degli ioni di stagno quando si varia l'energia e la durata dell'impulso laser, il che aiuterebbe a ottenere un CE elevato. Gli ioni ad alta energia nell'espansione del plasma contaminerebbero l'ottica. Comprendere le dinamiche di espansione del plasma sarebbe utile per ottimizzare le tecniche di mitigazione dei detriti13,14,15. Inoltre, l'espansione del plasma influisce anche sulla deformazione della goccia, che non è stata sufficientemente compresa. Pertanto, lo studio dell'espansione del plasma è di grande importanza per le sorgenti luminose EUV.

La simulazione numerica è un metodo efficace per esplorare la fisica del plasma nei processi di ablazione laser. L'espansione del plasma prodotto dal laser è costituita da due fasi, espansione isotermica durante l'impulso ed espansione adiabatica dopo l'impulso16. Per le simulazioni numeriche, è necessario modellare prima la generazione del plasma, che include principalmente le interazioni tra laser e bersaglio e l'assorbimento dell'energia laser nei plasmi.