W dziedzinie diagnostyki plazmy, spektroskopia laserowa jest niezakłócającą metodą pomiaru prędkości cząstek. W szczególności, tunowalna spektroskopia absorpcji lasera diodowego (TDLAS) jest cenną techniką w tym celu. Jednak tradycyjna TDLAS z wiązką płaską jest wrażliwa tylko na prędkości wzdłuż kierunku propagacji lasera, co ogranicza jej skuteczność w obserwacji przepływu cząstek prostopadłych do materiału w interakcji materiał-plazma.
Aby przeciwdziałać temu ograniczeniu, badacze wykazali, że możliwe jest dokonywanie pomiarów przepływu poprzecznego do kierunku wiązki zastępując wiązkę sondy wiązką optycznego wirażu. Wiązki optyczne wirażu, cechujące się spiralnym frontem falowym, wprowadzają przesunięcie azymutalne w dodatku do przesunięcia Dopplera translacyjnego, doświadczanego przez cząsteczki poruszające się w ich polu. Przy założeniu jednolitego przepływu gazu wzdłuż wiązki optycznego wirażu, badacze wyznaczyli prędkość przepływu poprzecznego na podstawie sinusoidalnej zmienności przesunięcia azymutalnego Dopplera obserwowanego w widmie absorpcji w przekroju wiązki.
Wyniki eksperymentalne wykazały, że zaproponowana metoda umożliwia dokładne pomiar prędkości przepływu poprzecznego. Przy prędkościach poprzecznych powyżej 70 m/s błędy pomiarowe okazały się mniejsze niż 15%, przy średnim błędzie procentowym nieprzekraczającym 8%.
To odkrycie jest istotne, ponieważ umożliwia pomiar przepływu cząstek prostopadle do granicznej warstwy, co ma kluczowe znaczenie dla badania interakcji plazma-powierzchnia. Wcześniej te informacje były nieosiągalne ze względu na ograniczenia kierunkowe spektroskopii Dopplera przy użyciu wiązek płaskich. Dzięki wykorzystaniu wiązek optycznego wirażu, badacze mogą teraz uzyskać cenne dane dotyczące dynamiki pochewki, strumienia ciepła docierającego do ścian reaktora termojądrowego oraz reakcji powierzchniowych w obróbce plazmowej.
Badanie to wykorzystało tunowalną spektroskopię absorpcji lasera diodowego (TDLAS) z wiązką optycznego wirażu, nazywaną optyczną wirażową spektroskopią absorpcji lasera (OVLAS). Pomiar prędkości przepływu poprzecznej został wyznaczony na podstawie dwuwymiarowego rozkładu przesunięcia azymutalnego Dopplera obserwowanego w widmie absorpcji. Układ eksperymentalny obejmował zewnętrzny laser diodowy o długości fali 697 nm, modulator światła przestrzennego (SLM) generujący wiązkę optycznego wirażu oraz plazmę sprzężoną indukcyjnie (ICP) w lampie wyładowczej.
To badanie otwiera nowe możliwości badania dynamiki plazmy i poprawy technik obróbki plazmowej. Pozwalając na pomiar prędkości przepływu poprzecznego, badacze mogą uzyskać głębsze insighty w zachowanie cząstek w plazmie i optymalizować różne aplikacje oparte na plazmie.