레이저 흡수 분광학을 이용한 헬륨 플라즈마에서의 23S 준안정 준위 원자밀도 측정

Abstract

다양한 연구 분야에서 활용될 수 있는 헬륨 23S 준안정 준위의 원자밀도와 온도를 레이저 빔 세기로 인한 포화 효과(saturation effect)를 고려하는 레이저 흡수 분광학(laser absorption spectroscopy, LAS)을 이용하여 플라즈마 동작조건에 따라 측정하였다. 플라즈마 source로는 ICP(inductively coupled plasma)를 사용 하였는데, RF power supply(최대출력:1.5 kW, 주파수:13.6 MHz)로 안테나(Nagoya type2)에 전력을 걸어주었다. LAS의 광원으로 이내의 선폭을 가지며, 중심파장1083nm 인 ECDL을 사용하였다. 레이저 공진기의 PZT(piezoelectricity transducer)와 레이저 주입 전류를 변화시켜 레이저 주파수를 변조하였고, 헬륨 플라즈마를 투과한 레이저 출력을 PD(photo diode)로 측정함으로써 헬륨 준안정준위에 대한 흡수스펙트럼을 얻었다. 헬륨 압력 20 mTorr , RF power 1kW 로 고정된 플라즈마 동작 조건에서, 레이저의 세기에 따른 흡수신호로 부터 peak absorbance와 온도를 측정하였고, 이를 통해 헬륨 준안정 준위의 원자밀도 및 온도를 측정하기 위한 최적의 레이저 세기를 실험적으로 결정하였다. 레이저 세기를 최적으로 결정된 3.044 W/m^2에 고정시키고, 플라즈마의 동작조건(압력:20 mTorr~50 mTorr, RF power:0.3 kW~1 kW)에 따른 원자밀도와 온도를 측정하였다. 원자밀도는 2.1~3.0*10^12/cm^2으로 측정 되었으며, 압력에 따라 민감하게 변하였는데, 이는 전자의 빠른 재결합(recombination)에 의한 것으로 생각된다. 온도는 360 K~460 K로 측정 되었고, RF power에 따라 선형적으로 증가하였는데, 이는 Doppler 효과에 의한 선폭증가에 의한 것으로 보인다.