超短レーザーパルスにより誘起された初期プラズマの進化の解明

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).

初期のプラズマは、ターゲットの高強度レーザー照射とその後のターゲット材料のイオン化により生成されます。そのダイナミクスは、特に空気環境^1-11に、レーザー物質相互作用に重要な役割を果たしている。

初期のプラズマの進化は、ポンプ·プローブshadowgraphy ^1-3と干渉^1,4-7を介してキャプチャされています。しかし、時間枠を学び、適用されたレーザーパラメータの範囲は限られています。たとえば、レーザーパルスのピークに関しては100ピコ秒の遅延時間（PS）内のプラズマの前面の位置と電子数密度の直接検査では特に100フェムト秒（fs）の前後期間の短パルスでは、まだ非常に少なく、 10 ¹⁴ W / cm ^2の程度の低電力密度。これらの条件下で生成された初期のプラズマは、高時間空間分解能¹²で最近捕獲された。詳細なセットアップの戦略とこの高精度測定の手順は、このホワイト·ペーパーで説明する。測定の原理は、光ポンプ·プローブshadowgraphy次のとおりです。それらの間の遅延時間は、その光路長を変えることによって調整することができますが1超短レーザーパルスは、ポンプパルスとプローブパルスに分割されています。ポンプパルスは、ターゲットをablates、初期プラズマを生成し、プローブパルスは、プラズマ領域を介して伝播し、電子数密度の不均一性を検出します。さらに、アニメーションは、文献のシミュレーションモデルから計算結果を使用して生成されます^12は非常に高い分解能（0.04〜1ピコ秒）を持つプラズマの形成と進化を説明するために。

実験方法およびシミュレーションの両方のメソッドは、タイムフレームとレーザーのパラメータの広い範囲に適用することができます。これらのメソッドは、金属からだけでなく、半導体や絶縁体からだけでなく、生成された初期のプラズマを調べるために使用することができます。

1。光学システムのセットアップ（図1）

1. 半波長板とレーザーパルスのエネルギーを調整するためにレーザ出力を次の偏光板を設定します。
2. ポンプパルスとプローブパルス：2パルスにレーザーパルスを分割するために偏光した後にビームスプリッタを設定します。
3. ポンプパルスを光遅延デバイスを構築するために4つの反射鏡と手動並進ステージを使用しています。
4. 垂直にターゲット表面に到達するためのポンプパルスを導くために別の4の反射鏡を使用しています。
5. 800乃至400nmのレーザーパルスの波長を変換する第2高調波発生（SHG）を設定します。
6. 800 nmのパルスを送信し、400 nmのパルスを反映するために高調波セパレーターを使用しています。
7. ビーム減速とプローブパルスの大きさと収束を調整する限局レンズのペアを設定します。
8. ステップ1.3で述べたように、プローブパルスのために、別の光遅延装置を設定します。
9. の面積を調整するアイリスリングを使用プローブパルスとプローブパルスが水平にターゲット表面を通過して、ポンプパルスと交差していることを確認します。
10. 激化電荷結合素子（ICCD）カメラで受信されるプラズマ領域の画像を生成する2つの対物レンズと、複数のフィルタを設定します。
11. コンピュータ、レーザー、ICCDカメラとBNCケーブルまたはUSBケーブルを使用して、そのコントローラを接続します。
12. プローブパルスのイメージをキャプチャカメラまで、カメラコントローラの遅延時間を調整します。したがって、プローブパルスとカメラが同期されます。

2。ポンプ·プローブの同期

1. ポンプパルスとプローブパルスの交差点にビームスプリッタを配置し、これら二つのパルスを受信する2つのフォトダイオードを設定します。これら二つのフォトダイオードは、離れてビームスプリッタから同じ距離を持つ必要があります。
2. これら二つのフォトダイオードの信号を受信するようにオシロスコープを使用して、プロまで、ポンプパルスビーム経路上に遅延ステージを移動しますポンプパルスとプローブパルスのファイルは、オシロスコープの画面上で互いに重複しています。 20 psの精度は、オシロスコープの時間分解能のおかげで実現しています。
3. ステップ2.1で述べたように、ビームスプリッタと2つのフォトダイオードを削除します。
4. 空気破壊領域がちょうどICCD画面上に観察されたまでのポンプパルスビーム経路上に遅延ステージを調整します。空気の絶縁破壊の形成が一様な背景の代わりに検出することができた時間は、遅延時間ゼロとして決定されます。

3。サンプルステージの準備

1. 3つの自由度でサンプルを移動するためにラボジャッキと2手動リニアステージを設定します。
2. ステージの高平坦度を達成するためにダイヤルインジケータと高精度シムを使用しています。高さの差は25.4ミリメートルの距離あたり1μm以内である必要があります。
3. フライス盤を使用して、0.8ミリメートルの厚さのCuシートのうち、正方形のピース（30ミリメートル×30ミリメートル）の削減マシン。
4. 表面粗さが0.5μmの下になるまでのCu片の狭い側面（30ミリメートル×0.8ミリメートル）を磨く。
5. 洗練された狭い表向きでトップの手動ステージ上の銅の部分を修正します。
6. ステップ3.1で述べたように、任意の傾きが対象の下に高精度シムを挿入することによって調整することができるようなICCDカメラを介してその位置を監視しながら）1つのマニュアルステージでターゲットを移動します。
7. 他のマニュアルステージで、ステップ3.6を繰り返します。
8. 第三高精度の手動ステージで焦点レンズの位置を変更しながら、ターゲット上の穴のダースを開けます。焦点の位置は、最小の穴があけられ焦点レンズの位置に対応しています。

4。アブレーションと測定

1. 離れて焦点から約50μmまでの距離を焦点距離のレンズを上に移動します。
2. 10 psのそれまでの2つのPSイメージをキャプチャするために0.3mmの間隔でプローブパルスビーム経路上に遅延ステージを移動したり、480 PSまで画像毎に20 psのをキャプチャするために3mmの間隔で。
3. 再現性と精度のために数回のステップ4.2を繰り返します。
4. 離れて焦点から約50μmの距離に焦点レンズを下に移動し、ステップ4.3を繰り返します。

5。代表的な結果

測定した影絵の画像は図に示されています。 2および図。それぞれわずかにターゲット表面上に、以下のフォーカルポイントの3、。縦方向および半径方向の膨張の位置を図にプロットされます。 4、図。 5。最初の100 psのこれらの2つのケースの長手方向の展開は大幅に異なっているが、次は400 psとその半径方向の拡張でその長手方向の展開は似ています。最初のケースでは、100 ps以内の初期プラズマは、複数の層から成る一次元拡張構造を持っています。後者の場合、初期のPLのためにASMAは、100 ps以内あまり変わりません、二次元展開構造を有している。

シミュレーションモデル^12は、初期のプラズマの進化のメカニズムを調べるために使用されます。時間ゼロは、レーザーパルスのピークがターゲット表面に到達する時間として定義されます。 図に示すようにシミュレートされた初期のプラズマの進化プロセスは、これら2例の両方の測定結果とよく一致する。 6および図。それぞれ7、。 1 ps以内の初期プラズマの形成はまた、最初のケースのシミュレーションモデルを用いて、 図に示すように予測されています。 8。初期のプラズマは空気破壊領域とCuのプラズマ領域を持っていることが判明した。空気の内訳は、最初の多光子イオン化によって引き起こされ、その後、アバランシェイオン化が続いている。二番目のケースは、しかし、焦点は、以下のターゲット表面であり、個別の空気の破壊領域が形成されていません。代わりに、空気イオンは、Cu PLAの近くに発生します。SMA（前面パネル）とCuターゲットから放出され、自由電子に衝突電離によりによって引き起こされます。

図1ポンプ·プローブ影絵測定の模式図。

図2。少し表面上の焦点を持つ連続した遅延時間でのCuのプラズマ拡大。レーザー波長：800 nmで、パルス幅：100 fsは、電力密度：4.2×10 ¹⁴ W / cm ^2で 、ターゲット：銅。

図3。少し表面の下に焦点を持つ連続した遅延時間でのCuのプラズマ拡大。レーザー波長：800 nmで、パルス幅：100 fsは、電力密度：4.2×10 ¹⁴ W / cm ^2で 、ターゲット：銅。

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図4プラズマの縦とわずかに表面上に焦点を持つ連続した遅延時間での径方向の膨張位置。レーザー波長：800 nmで、パルス幅：100 fsは、電力密度：4.2×10 ¹⁴ W / cm ^2で 、ターゲット：銅。

図5。わずかに表面の下に焦点を持つ連続した遅延時間でのプラズマ、縦方向および半径方向の膨張位置。レーザー波長：800 nmで、パルス幅：100 fsは、電力密度：4.2×10 ¹⁴ W / cm ^2で 、ターゲット：銅。

図6。少し表面上の焦点と70 psの遅延時間内に測定値と計算値のプラズマ膨張のアニメーション。レーザー波長：800 nmで、パルス幅：100 fsは、電力密度：4.2×10 ¹⁴ 2で 、ターゲット：Cuは、 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。

図7。少し表面下焦点と70 psの遅延時間内に測定値と計算値のプラズマ膨張のアニメーション。レーザー波長：800 nmで、パルス幅：100 fsは、電力密度：4.2×10 ¹⁴ W / cm ^2で 、ターゲット：銅。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。

図8。少し表面上の焦点と1ピコ秒の遅延時間内に測定値と計算値のプラズマ膨張のアニメーション。レーザー波長：800 nmで、パルス幅：100 fsは、電力密度：4.2×10 ¹⁴ W / cm ^2で 、ターゲット：Cuのアニメーションを表示するには、ここをクリック</>。

本論文で提示さ測定とシミュレーションの方法は、初期のプラズマのダイナミクスと空気とCuの両方のイオン化のメカニズムの理解をより正確に検査を有効にしてください。高品質のプラズマの構造は、1 psと1μmの空間分解能の時間分解能で撮影されています。この測定は、高すぎると再現性を持っています。重要な手順は非常によくビームを調整し、高い平坦度などの低粗さをターゲット表面を準備することです。

このアプローチは、他のターゲット材料と様々なレーザパラメータに適用することができます。ポンプ·プローブ影絵法の唯一の制限は、低すぎると電子数密度の変化である。

利害の衝突が宣言されません。

作者は感謝して国立科学財団（：CMMI-0653578、CBET-0853890グラントはありません）することにより、この研究のために財政支援を承諾したがっています。

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