Численное моделирование лазера

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4085 (2023) Цитировать эту статью

1136 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В данной работе предложена численная модель расширения плазмы на поверхности капли, основанная на методе исходной плазмы. Исходная плазма была получена через входное граничное условие давления и исследовано влияние окружающего давления на исходную плазму и адиабатическое расширение плазмы на поверхности капли, включая влияние на распределение скорости и температуры. Результаты моделирования показали, что давление окружающей среды уменьшилось, что привело к увеличению скорости расширения и температуры, в результате чего образовался больший размер плазмы. Расширение плазмы создает обратную движущую силу и в конечном итоге окутывает всю каплю, что указывает на значительную разницу по сравнению с плоскими мишенями.

Лазерная плазма (ЛПП) широко изучается во многих приложениях, таких как инерционный термоядерный синтез, импульсное лазерное осаждение в материаловедении и литография1,2. Литография в крайнем ультрафиолете (EUV) считается перспективной технологией производства полупроводниковых приборов нового поколения с разрешением ниже 5 нм3,4. LPP был разработан для источника EUV-света из-за его высокой эффективности, масштабируемости мощности и пространственной свободы вокруг плазмы5,6. В источнике EUV-света металлические капли в качестве мишеней облучаются импульсным лазером для создания горячей плотной плазмы и излучения EUV-света.

Когда мощный лазер облучает поверхность капли, это вызывает сильную деформацию и разрушение капли. Импульсное лазерное движение и сильная деформация капли воды были изучены Кляйном и др.7. Подробно рассмотрена аппаратура управления и визуализации8. Хотя гидродинамическая реакция металлов и капель воды на лазерное воздействие аналогична, механизм движения существенно отличается9. Основная причина – генерация высокотемпературной плазмы на поверхности капли металла.

Эволюция плазмы играет ключевую роль в процессе генерации EUV из капель металла, облученных мощным лазером. В частности, параметры состояния плазмы определяют поглощение лазерной энергии и характеристики ЭУФ-излучения. Сато и др. измерили пространственный профиль электронной плотности, температуры электронов и среднего ионного заряда с помощью метода томсоновского рассеяния (TS)10. Они обнаружили, что пространственный профиль различается в зависимости от условий плазмы. Во всех условиях плазмы интенсивное ЭУФ-излучение наблюдалось только при достаточно высокой электронной температуре и в адекватном диапазоне электронной концентрации. Сасаки и др.11 отметили, что высокая эффективность преобразования (КЭ) достигается при использовании плазмы низкой плотности, которая создается путем предварительного облучения микрокапли олова предимпульсным лазером для получения предварительно сформированной плазмы. После предимпульсного лазерного облучения плазма расширяется в 10 раз по сравнению с начальным радиусом и приводит к уменьшению плотности до 0,001 плотности твердого тела. Шупп и др.12 обнаружили, что интенсивность лазера является подходящим параметром, определяющим температуру плазмы и распределение зарядового состояния ионов олова при изменении энергии и продолжительности лазерного импульса, что поможет получить высокий CE. Ионы высокой энергии при расширении плазмы загрязнили бы оптику. Понимание динамики расширения плазмы было бы полезно для оптимизации методов борьбы с мусором13,14,15. Кроме того, расширение плазмы также влияет на деформацию капли, которая еще недостаточно изучена. Поэтому изучение расширения плазмы имеет большое значение для источников EUV-излучения.

Численное моделирование является эффективным методом изучения физики плазмы в процессах лазерной абляции. Расширение лазерной плазмы состоит из двух стадий: изотермического расширения во время импульса и адиабатического расширения после импульса16. Для численного моделирования необходимо сначала смоделировать генерацию плазмы, которая в основном включает взаимодействие между лазером и мишенью и поглощение лазерной энергии в плазме.