חקירת Evolution פלזמה מוקדם בהשפעת לייזר UltraShort קטניות
Summary
שיטת הניסוי לבחון את האבולוציה פלזמה מוקדם הנגרם על ידי לייזר UltraShort פולסים מתואר. באמצעות שיטה זו, תמונות באיכות גבוהה של פלזמה מוקדם מתקבלים עם החלטות של זמן ומרחב גבוהה. מודל הרומן atomistic משולב משמש כדי לדמות ולהסביר את מנגנוני פלזמה מוקדם.
Abstract
פלזמה מוקדם שנוצר עקב הקרנת לייזר גבוהה עוצמת היעד יינון לאחר מכן החומר היעד. הדינמיקה שלה משחק תפקיד משמעותי באינטראקציה לייזר חומר, במיוחד בסביבה אוויר 1-11.
האבולוציה פלזמה מוקדם כבר שנתפסו באמצעות משאבה בדיקה shadowgraphy 1-3 ו interferometry 1,4-7. עם זאת, פרמטר הטווחים למד מסגרות זמן ויישומי לייזר מוגבלים. לדוגמה, בדיקות ישירות של מקומות פלזמה הקדמיות וצפיפות מספר אלקטרונים בתוך זמן עיכוב של picosecond 100 (PS) לגבי הדופק לייזר השיא עדיין מעט מאוד, במיוחד עבור הדופק ultrashort משך סביב femtosecond 100 (FS) ו צפיפות הספק נמוכה סביב 10 14 W / cm 2. פלזמה מוקדם שנוצר בתנאים אלה לא רק נתפס לאחרונה עם החלטות של זמן ומרחב גבוהה 12. הגדרת אסטרטגיה מפורטתנהלי המדידה הזו דיוק גבוהה יהיה לידי ביטוי במאמר זה. הרציונל של מדידה אופטית היא shadowgraphy משאבה בדיקה: 1 לייזר UltraShort הדופק מפוצל לדופק המשאבה ואת הדופק בדיקה, תוך השהיית זמן בין אותם ניתן להתאים על ידי שינוי נתיב הקורה שלהם אורכי. הדופק משאבת ablates היעד ויוצר פלזמה מוקדם, הדופק בדיקה מתפשטת דרך האזור פלזמה מזהה אחידות הלא צפיפות מספר האלקטרונים. בנוסף, אנימציות נוצרות באמצעות תוצאות שנמדדות מודל סימולציה של שופט. 12 כדי להמחיש את היווצרות והתפתחות פלזמה עם רזולוציה גבוהה מאוד (0.04 ~ 1 PS).
גם שיטת הניסוי ואת שיטת הדמיה ניתן ליישם במגוון רחב של מסגרות זמן ופרמטרים לייזר. שיטות אלה ניתן להשתמש כדי לבחון את הפלזמה מוקדם שנוצר לא רק מתכות, אלא גם מוליכים למחצה ומבודדים.
Protocol
1. מערכת ההתקנה אופטי (איור 1) הגדרת הצלחת חצי גל מקטב בעקבות פלט לייזר כדי להתאים את האנרגיה הדופק לייזר. להקים קרן splitter אחרי מקטב לפצל את הדופק לייזר שתי פעימות הדופק: משאבת והדופק בדיקה. השתמש ארבעה מראות המשקפות ובמה translational ידנית על מנת לבנות מכשיר עיכוב אופטי דופק את המשאבה. השתמש עוד מראות המשקפות ארבע להנחות את הדופק משאבת להגיע אל פני השטח היעד אנכית. הגדרת גנרטור הרמוני 2 (SHG) להפוך את הדופק לייזר באורך גל של nm 800 ל -400 ננומטר. השתמש מפריד הרמונית להעביר את הדופק 800 ננומטר ומשקפים את הדופק ל -400 ננומטר. הגדרת כמפחית קרן וזוג עדשות focally כדי להתאים את גודל ואת ההתכנסות של הדופק בדיקה. הגדרת התקן אחר עיכוב אופטי, כאמור בשלב 1.3, את הדופק בדיקה. השתמש טבעת איריס להתאים את שטח שלבדיקה הדופק ולוודא את הדופק בדיקה להעביר את השטח למטרה אופקית מצטלבים עם דופק את המשאבה. הגדרת שתי עדשות אובייקטיביים ומסננים כמה לייצר את הדימוי של אזור פלזמה להתקבל על ידי מכשיר תשלום מצמידים התעצמה (ICCD) המצלמה. חבר את המחשב, לייזר, מצלמה ICCD הבקר שלה באמצעות כבלי BNC או כבל USB. להתאים את זמן השהיה של בקר המצלמה עד המצלמה לוכדת תמונה של הדופק בדיקה. לפיכך, דופק את החללית ואת המצלמה מסונכרנים. 2. משאבה בדיקה סנכרון הנח קרן splitter בצומת של דופק את המשאבה ואת הדופק בדיקה, ולהקים שתי פוטודיודות לקבל שתי פעימות. שני פוטודיודות צריך באותו מרחק מן ספליטר הקורה. השתמש אוסצילוסקופ לקבל את האותות של שני פוטודיודות, ולעבור לשלב עיכוב על דרך הדופק משאבת הקורה עד Proקבצים של דופק את המשאבה ואת הדופק בדיקה חופפים זה עם זה על המסך אוסצילוסקופ. ברמת דיוק של 20 נ.ב. מושגת בשל ההחלטה הזמני של אוסצילוסקופ. הסר את הקורה מפצל ושני פוטודיודות כאמור בשלב 2.1. התאם את שלב עיכוב על דרך הדופק משאבת הקורה עד לאזור פירוט האוויר יכול פשוט לצפות במסך ICCD. בזמן היווצרות של תקלה באוויר ניתן היה לזהות במקום רקע אחיד נקבע אפס זמן עיכוב. 3. לדוגמה שלב ההכנה להקים מעבדה ג'ק בשני שלבים ליניאריים ידנית כדי להעביר את המדגם עם שלוש דרגות חופש. השתמש אינדיקטור חיוג shims דיוק גבוהה כדי להשיג שטיחות גבוהה של השלבים. ההבדל גובה צריך להיות בטווח של 1 מיקרומטר לכל במרחק של 25.4 מ"מ. חותכים חתיכה מרובע (30 מ"מ × 30 מ"מ) מתוך גיליון Cu עם עובי של 0.8 מ"מ בעזרת כרסוםהמכונה. פולין צדדי צר (30 מ"מ × 0.8 מ"מ) של היצירה Cu עד חספוס פני השטח הוא מתחת 0.5 מיקרומטר. תקן את היצירה Cu על הבמה את המדריך למעלה עם פנים צרות מלוטש למעלה. העבר את היעד על ידי שימוש במה אחת כאמור בשלב 3.1) ואילו לפקח מעמדה באמצעות המצלמה ICCD כך שכל הטיה תוכלו להתאים על ידי הוספת shims דיוק גבוהה מתחת ליעד. חזור על שלב 3.6 משלב את המדריך השני. לקדוח עשרות חורים על המטרה בעוד משתנים את המיקום של העדשה על ידי מיקוד ידני בשלב 3 דיוק גבוהה. מיקום מוקד מקביל לתפקיד של העדשה מרכזית בו את החור הקטן ביותר הוא קדח. 4. אבלציה ומדידה להעביר את מיקוד העדשה עד למרחק של כ 50 מיקרומטר הרחק מנקודת המוקד. להזיז את הבמה עיכוב על נתיב קרן הדופק בדיקה עם מרווח של 0.3 מ"מ כדי ללכוד את התמונה בכל PS 2 עד 10 PS, אועם מרווח של 3 מ"מ כדי ללכוד את התמונה בכל 20 עד 480 PS PS. חזור על שלב 4.2 עבור מספר פעמים עבור הדירות ודיוק. להעביר את מיקוד העדשה עד למרחק של כ 50 מיקרומטר הרחק מנקודת המוקד, וחזור על שלב 4.3. 5. נציג תוצאות התמונות shadowgraph הנמדדים בהם באיור. איור 2 ו. 3, את נקודת הכובד מעט מעל ומתחת לפני היעד, בהתאמה. עמדות והרחבת אורכיים רדיאלי הם להתוות איור. איור 4 ו. 5. את הרחבות האורך של שני מקרים 1 100 PS הם שונים באופן משמעותי, עם זאת, הרחבות האורך שלהם הבאה 400 PS ו הרחבות רדיאליים שלהם דומים. במקרה הראשון, פלזמה מוקדמת בטווח של 100 נ.ב. יש מבנה חד ממדי הרחבה בהיקף של מספר שכבות. במקרה השני, PL מוקדםאסמא יש מבנה דו מימדי ההרחבה זה לא משנה הרבה בתוך 100 PS. מודל הסימולציה 12 משמש לחקור את המנגנון של האבולוציה פלזמה מוקדם. אפס זמן מוגדר בזמן הדופק לייזר השיא מגיע לפני השטח היעד. את מדומה המוקדמות התפתחות תהליכים פלזמה מסכים גם עם התוצאות נמדדו הן של שני המקרים האלה, כפי שמוצג באיור. איור 6 ו. 7, בהתאמה. היווצרות של פלזמה מוקדם בתוך 1 PS הוא ניבא גם במקרה הראשון באמצעות מודל סימולציה באיור. 8. פלזמה מוקדם נמצא יש פירוט האוויר באזור ואת אזור פלזמה מ"ק. פירוט האוויר נגרמת על ידי 1 יינון רב פוטון ולאחר מכן ואחריו יינון מפולת. במקרה השני, לעומת זאת, המוקד הוא מתחת לפני השטח היעד ולא באזור נפרד פירוט האוויר נוצר. במקום זאת, יינון האוויר מתרחשת ליד PLA Cuמול SMA והיא נגרמת על ידי בשל ההשפעה יינון על אלקטרונים חופשיים שנפלטו מן המטרה מ"ק. באיור 1. סכמטי של מדידת המשאבה, בדיקה shadowgraph. איור 2. Cu פלזמה הרחבת לפעמים עיכוב רצופים עם נקודת מיקוד מעט מעל פני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: מ"ק. איור 3. Cu פלזמה הרחבת לפעמים עיכוב רצופים עם נקודת מיקוד מעט מתחת לפני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: מ"ק. <img alt = "איור 4" src = "/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg" /> איור 4. פלזמה אורך ועמדות הרחבה רדיאליים בזמנים עיכוב רצופים עם מוקד מעט מעל פני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: מ"ק. איור 5. פלזמה אורך ועמדות הרחבה מחוגי הזמן עיכוב רצופים עם נקודת מיקוד מעט מתחת לפני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: מ"ק. איור 6. אנימציה של התפשטות פלזמה נמדד ומחושב תוך זמן עיכוב של 70 נ.ב. עם נקודת מיקוד מעט מעל פני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 </sup> W / cm 2: היעד: Cu. לחץ כאן כדי לראות את האנימציה . איור 7. אנימציה של התפשטות פלזמה נמדד ומחושב תוך זמן עיכוב של 70 נ.ב. עם נקודת מיקוד מעט מתחת לפני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: Cu. לחץ כאן כדי לראות את האנימציה . איור 8. אנימציה של התפשטות פלזמה נמדד ומחושב תוך זמן עיכוב של 1 PS עם נקודת מיקוד מעט מעל פני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד:. Cu לחץ כאן כדי להציג אנימציה </>.
Discussion
המדידה וסימולציה שיטות שהוצגו במאמר זה לאפשר בדיקות מדויקות יותר של הדינמיקה פלזמה הראשונים והבנה טובה יותר של המנגנונים יינון עבור שניהם אוויר מ"ק. מבנים באיכות גבוהה פלזמה נלכדים עם רזולוציה הזמני של 1 PS ו ברזולוציה מרחבית של 1 מיקרומטר. מדידה זו הדירות גבוה מדי. ההליך הוא קריטי כדי ליישר את קרן היטב ולהכין משטח היעד עם השטיחות גבוהה כמו גם חספוס נמוך.
גישה זו ניתן ליישם חומרים אחרים היעד ופרמטרים לייזר שונים. המגבלה היחידה של שיטה משאבה בדיקה shadowgraph הוא מספר נמוך מדי צפיפות אלקטרונים שונות.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות בתודה תמיכה כספית בתנאי לצורך מחקר זה על ידי הקרן הלאומית למדע (גרנט לא: CMMI-0653578, CBET-0853890).
Materials
| Name of the equipment | Company | Catalogue number |
| Laser | Spectra-Physics | SPTF-100F-1K-1P |
| ICCD camera | Princeton Instruments | 7467-0028 |
| Oscilloscope | Rigol | DS1302CA |
| Photodiode | Newport | 818-BB30 |
| Linear stage | Newport | 433 |
| Dial indicator | Mitutoyo | ID-C112E |
References
- Garnov, S. V., Malyutin, A. A., Tsarkova, O. G., Konov, V. I., Dausinger, F. Ultrafast laser-induced plasma diagnostics with time-spatial resolved shadow and interferometric techniques. Proc. SPIE. 4637, 31-42 (2002).
- Zhang, N., Zhu, X., Yang, J., Wang, X., Wang, W. Time-resolved shadowgraphs of material ejection in intense femtosecond laser ablation of aluminum. Phys. Rev. Lett. 99, 167602 (2007).
- Li, J., Wang, X., Chen, Z., Clinite, R., Mao, S. S., Zhu, P., Sheng, Z., Zhang, J., Cao, J. Ultrafast electron beam imaging of femtosecond laser-induced plasma dynamics. J. Appl. Phys. 107, 083305 (2010).
- Veysman, M. E., Agranat, M. B., Andreev, N. E., Ashitkov, S. I., Fortov, V. E., Khishchenko, K. V., Kostenko, O. F., Levashov, P. R., Ovchinnikov, A. V., Sitnikov, D. S. Femtosecond optical diagnostics and hydrodynamic simulation of Ag plasma created by laser irradiation of a solid target. J. Phys. B. 41, 125704 (2008).
- Geindre, J. P., Audebert, P., Rousse, A., Falliés, F., Gauthier, J. C., Mysyrowicz, A., Santos, A. D., Hamoniaux, G., Antonetti, A. Frequency-domain interferometer for measuring the phase and amplitude of a femtosecond pulse probing a laser-produced plasma. Opt. Lett. 19, 1997-1999 (1994).
- Inogamov, N. A., Anisimov, S. I., Petrov, Y. u. V., Khokhlov, V. A., Zhakhovskii, V. V., Nishihara, K., Agranat, M. B., Ashitkov, S. I., Komarov, P. S. Theoretical and experimental study of hydrodynamics of metal target irradiated by ultrashort laser pulse. Proc. SPIE. 7005, 70052F.1-70052F.10 (2008).
- Flacco, A., Guemnie-Tafo, A., Nuter, R., Veltcheva, M., Batani, D., Lefebvre, E., Malka, V. Characterization of a controlled plasma expansion in vacuum for laser driven ion acceleration. J. Appl. Phys. 104, 103304.1-103304.5 (2008).
- Mao, S. S., Mao, X., Greif, R., Russo, R. E. Simulation of a picosecond laser ablation plasma. Appl. Phys. Lett. 76, 3370-3372 (2000).
- Chen, Z., Mao, S. S. Femtosecond laser-induced electronic plasma at metal surface. Appl. Phys. Lett. 93, 051506.1-051506.3 (2008).
- Kononenko, T. V., Konov, V. I., Garnov, S. V., Danielius, R., Piskarskas, A., Tamoshauskas, G., Dausinger, F. Comparative study of the ablation of materials by femtosecond and pico- or nanosecond laser pulses. Quantum Electron. 29, 724-728 (1999).
- Dausinger, F., Hügel, H., Konov, V. Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications. Proc. SPIE. 5147, 106-115 (2003).
- Hu, W., Shin, Y. C., King, G. B. Early-stage plasma dynamics with air ionization during ultrashort laser ablation of metal. Phys. of Plasmas. 18, 093302.1-093302.12 (2011).
Tags
Early PlasmaUltrashort Laser PulsesHigh Intensity Laser IrradiationTarget Material IonizationDynamicsLaser-material InteractionAir EnvironmentPump-probe ShadowgraphyInterferometryPlasma Front LocationsElectron Number DensitiesDelay TimePicosecond (ps)Femtosecond (fs)Power DensityMeasurement Setup StrategyOptical Pump-probe ShadowgraphyAblationNon-uniformity Of Electron Number DensityAnimations
Cite This Article
Hu, W., Shin, Y. C., King, G. B. Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses. J. Vis. Exp. (65), e4033, doi:10.3791/4033 (2012).