التحقيق في التطور المبكر البلازما المستحثة بواسطة الليزر فائقة القصر البقول

يهدف هذا الاختبار إلى فحص التطور المبكر للبلازما الناتج عن نبضات الليزر فائقة القصر بدقة زمنية ومكانية عالية. ويتم تحقيق ذلك من خلال إعداد نظام بصري يتم فيه تقسيم نبضة ليزر فائقة القصر واحدة إلى نبضة ضخ ونبضة مسبار. كخطوة ثانية.

يتم مزامنة نبضة الضخ ونبضة المسبار، مما يوفر زمن تأخير صفرياً لجهاز التأخير الضوئي. بعد ذلك، يتم تحضير العينة والمنصة من أجل تحقيق استواء عالٍ للسطح العلوي للعينة وجعل السطح العلوي للعينة موازياً لنبضة المسبار. بعد ذلك، يتم إجراء الاستئصال مع وضع نقاط التركيز أعلى قليلاً وأسفل قليلاً من الهدف.

تعمل نبضة المضخة على استئصال الهدف وتوليد البلازما الأولية، بينما تنتشر نبضة المسبار عبر منطقة البلازما وتكشف عن عدم تجانس كثافة عدد الإلكترونات. وفي النهاية، تظهر النتائج تمدد البلازما عند أزمنة تأخير متتالية بناءً على الصور الظلية المقاسة. كما يتم إنشاء رسوم متحركة باستخدام النتائج المحسوبة لتوضيح تكوين البلازما وتطورها بدقة عالية جداً.

يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجال Outshot lead، مثل تأثير موضع النقطة البؤرية، والتطور المبكر للبلازما على الاستئصال بالليزر. وتمتد آثار هذه التقنية نحو تطوير والاستخدام الفعال لـ ultra shore ledgers لأنها توضح مقدار الطاقة التي يمتصها البلازما المبكر خلال فترة الليزر الفائق، والتي يمكن استخدامها لتضخيم مجال البلازما في مختلف أعمال التشخيص ومعالجة المواد. يتكون النظام البصري المهيأ لـ pump probe وقياس shadow graft من صفيحة نصف موجية ومستقطب يتبعان مخرج الليزر لضبط طاقة نبضة الليزر.

يقوم مقسم الحزمة الموجود بعد المستقطب بتقسيم نبضة الليزر إلى نبضتين: نبضة الضخ ونبضة المسبار. وتُستخدم أربع مرايا عاكسة ومنصة إزاحة يدوية لإنشاء جهاز تأخير بصري لنبضة الضخ. كما تقوم أربع مرايا عاكسة أخرى بتوجيه نبضة الضخ لتصل إلى سطح الهدف بشكل عمودي.

يقوم مولد التوافقي الثاني بتحويل الطول الموجي لنبضة الليزر من 800 nanometers إلى 400 nanometers. ثم يقوم فاصل توافقي بنقل النبضة ذات الطول الموجي 800 nanometer وعكس النبضة ذات الطول الموجي 400 nanometer. ويلي ذلك خافض للشعاع.

جهاز تأخير بصري آخر للمسبار. يتم تشكيل النبضة باستخدام أربع مرايا عاكسة وزوج من العدسات البؤرية لضبط حجم وتقارب نبضة المسبار. وتقوم حلقة قزحية بضبط مساحة نبضة المسبار وضمان مرورها عبر سطح الهدف أفقياً وتقاطعها مع نبضة الضخ بجوار العدسات الشيئية وعدة مرشحات لتوليد صورة لمنطقة البلازما التي يتم استقبالها بواسطة كاميرا الجهاز المقترن بالشحنة المكثف.

أخيراً، يتم توصيل الكمبيوتر والليزر وكاميرا ICCD ووحدة التحكم الخاصة بها باستخدام كابلات BNC أو كابلات USB، ثم يتم ضبط وقت التأخير في وحدة تحكم الكاميرا حتى تلتقط الكاميرا صورة للمسبار. يتم إجراء المزامنة الفعالة لنبضة المسبار ومزامنة مضخة الكاميرا والمسبار بواسطة مقسم شعاع عند تقاطع نبضة المضخة ونبضة المسبار، حيث يستقبل ثنائيان ضوئيان النبضتين. ويجب أن يكون هذان الثنائيان الضوئيان على نفس المسافة من مقسم الشعاع.

بعد ذلك، يتم إزالة مقسم الحزمة واستخدام راسم الإشارات (oscilloscope) لاستقبال إشارات هذين الثنائيين الضوئيين. يتم تحريك مرحلة التأخير الموجودة في مسار حزمة نبضة الضخ حتى تتطابق ملامح نبضة الضخ ونبضة المسبار مع بعضهما البعض على شاشة راسم الإشارات. ويتم تحقيق دقة تصل إلى 20 picoseconds وفقاً للدقة الزمنية لراسم الإشارات بعد عملية المزامنة.

قم بإزالة الصمامين الثنائيين الضوئيين. اضبط مرحلة التأخير على مسار حزمة نبضة المضخة حتى يمكن ملاحظة منطقة الانهيار الهوائي بالكاد على شاشة ICCD. يُحدد الوقت الذي يمكن فيه اكتشاف تشكل الانهيار الهوائي بدلاً من الخلفية الموحدة على أنه زمن التأخير صفر.

يعد ضمان عدم حجب الهدف لأي جزء من صورة البلازما جزءاً بالغ الأهمية في هذه التقنية. ويمكن تحقيق ذلك من خلال تحضير العينة والمنصة لضمان استواء عالٍ للسطح العلوي للعينة، وجعل السطح العلوي للعينة موازياً لمسار المسبار. ابدأ بتحضير المنصة عن طريق إعداد رافعة مختبرية ومنصتين خطيتين يدويتين.

قم بتحريك العينة بالتتابع باستخدام ثلاث درجات من الحرية، ومؤشر قياس قرصي، ورقائق ضبط عالية الدقة. ولتحقيق استواء عالٍ للمنصات، يجب أن يكون فرق الارتفاع في حدود 1 micron لكل مسافة قدرها 25.4 millimeters. بعد ذلك، استخدم آلة تفريز لتجهيز العينة عن طريق قطع قطعة مربعة من صفيحة نحاسية بسمك 0.8 millimeters. استخدم آلة تلميع لتلميع الجانب الضيق من قطعة النحاس حتى تصبح خشونة السطح أقل من 0.5 microns.

قم بتثبيت قطعة النحاس على المنصة اليدوية العلوية بحيث يكون الوجه الضيق المصقول متجهًا للأعلى. حرك الهدف باستخدام منصة يدوية واحدة مع مراقبة موضعه عبر كاميرا ICCD، بحيث يمكن ضبط أي ميل عن طريق إدراج رقائق SHIs عالية الدقة أسفل الهدف. كرر هذه العملية باستخدام المنصة اليدوية الأخرى.

أخيراً، قم بحفر اثنتي عشرة ثقباً على الهدف مع تغيير موضع العدسة البؤرية باستخدام مرحلة يدوية ثالثة عالية الدقة. يتوافق موقع النقطة البؤرية مع موضع العدسة البؤرية الذي يتم عنده حفر أصغر ثقب. يجب إجراء القياس الفعلي في الظلام.

ومع ذلك، ولأغراض التصوير، تم استخدام بعض الضوء لإجراء الاستئصال. أولاً، حرك العدسة البؤرية للأعلى إلى مسافة تبلغ حوالي 50 microns بعيداً عن النقطة البؤرية. ثم حرك مرحلة التأخير على مسار حزمة النبض المسبقة بفاصل 0.3 millimeters لالتقاط الصورة.

كل بيكوثانيتين حتى الوصول إلى 10 picoseconds، أو بفاصل قدره ثلاثة مليمترات لالتقاط الصورة كل 20 picoseconds حتى الوصول إلى 480 picoseconds. كرر هذه العملية عدة مرات لضمان القابلية للتكرار والدقة. وكخطوة أخيرة، حرك عدسة التركيز لأسفل إلى مسافة تبعد حوالي 50 microns عن نقطة التركيز والتقط الصور.

تظهر مرة أخرى صور المخططات الظلية المقاسة الناتجة عن تمدد بلازما النحاس عند أزمنة تأخير متتالية. وتتوافق هذه الصور مع كون النقطة البؤرية أعلى قليلاً أو أسفل قليلاً من سطح الهدف. وهنا، يتم رسم مواضع التمدد الطولي والشعاعي عندما تكون النقطة البؤرية أعلى قليلاً أو أسفل قليلاً من سطح الهدف.

تختلف التوسعات الطولية في هاتين الحالتين بشكل ملحوظ خلال أول 100 picoseconds؛ ففي الحالة الأولى، تمتلك البلازما المبكرة خلال 100 picoseconds هيكل توسع أحادي البعد يتكون من طبقات متعددة. أما في الحالة الثانية، فتمتلك البلازما المبكرة هيكل توسع ثنائي البعد لا يتغير كثيراً خلال 100 picoseconds. ومع ذلك، فإن التوسعات الطولية في الـ 400 picoseconds التالية والتوسعات الشعاعية تكون متشابهة. وهنا، يُستخدم نموذج محاكاة لاستقصاء آلية تطور البلازما المبكرة من خلال كثافة الإلكترونات المحاكات عندما تكون نقطة التركيز أعلى قليلاً من سطح الهدف.

يُعرَّف الزمن صفر بأنه الوقت الذي تصل فيه ذروة نبضة الليزر إلى سطح الهدف. ويُستخدم النموذج نفسه لاستكشاف الحالة التي تكون فيها البؤرة تحت سطح الهدف بقليل. وتتفق عمليات تطور البلازما المبكرة التي تمت محاكاتها بشكل جيد مع النتائج المقاسة.

في كلتا هاتين الحالتين، يُتوقع أيضاً تكوين البلازما المبكرة خلال بيكوثانية واحدة؛ ففي الحالة الأولى وباستخدام نموذج المحاكاة، وُجد أن البلازما المبكرة تحتوي على منطقة انهيار هوائي ومنطقة بلازما نحاسية. أما في الحالة الثانية، فيحدث الانهيار الهوائي أولاً بسبب التأين متعدد الفوتونات، يليه التأين الانهياري. ومع ذلك، تقع نقطة التركيز أسفل سطح الهدف، وبالتالي لا تتشكل منطقة انهيار هوائي منفصلة.

بدلاً من ذلك، يحدث تأين الهواء بالقرب من جبهة بلازما النحاس، وينتج عن التأين التصادمي بسبب الإلكترونات الحرة المنبعثة من هدف النحاس بعد تطوره. وقد مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال ليزر النبضات القصيرة لاستكشاف التطور المبكر للبلازما في عملية الاستئصال. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية استخدام التصوير الظلي (shadowgraph) لقياس البلازما.