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超短激光脉冲诱导的早期等离子体演化研究

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DOI：

10.3791/4033

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2012年7月2日

 ,  , 
1Mechanical Engineering, Purdue University

本文内容

摘要

本文描述了一种用于研究超短激光脉冲诱导的早期等离子体演化的实验方法。利用该方法，可获得具有高时间分辨率和高空间分辨率的早期等离子体高质量图像。采用一种新颖的集成原子模型对早期等离子体的形成机制进行模拟与解释。

摘要

早期等离子体由高强度激光照射靶材及随后的靶材电离产生。其动力学行为在激光与材料相互作用中起着重要作用，尤其是在空气环境中1-11。

通过泵浦-探测阴影法1-3和干涉测量法1,4-7已实现对早期等离子体演化的观测。然而，已有研究的时间范围和所用激光参数范围仍有限。例如，在激光脉冲峰值后100皮秒（ps）以内的延迟时间内，对等离子体前沿位置和电子数密度的直接测量仍然很少，特别是对于脉冲持续时间约为100飞秒（fs）、功率密度约为1014 W/cm2的超短脉冲情形。在这些条件下产生的早期等离子体，直到最近才以高时间和空间分辨率被成功捕捉12。本文将详细说明该高精度测量的具体装置策略与实验步骤。该测量方法的基本原理是光学泵浦-探测阴影法：将一个超短激光脉冲分束为泵浦脉冲和探测脉冲，通过调节两束光的光程差来控制其间的延迟时间。泵浦脉冲作用于靶材并产生早期等离子体，探测脉冲则穿过等离子体区域，检测电子数密度的非均匀性。此外，还利用参考文献12中模拟模型的计算结果生成动画，以极高分辨率（0.04 ~ 1 ps）展示等离子体的形成与演化过程。

实验方法和模拟方法均可适用于多种时间尺度和激光参数。这些方法不仅可用于研究金属产生的早期等离子体，还可用于研究半导体和绝缘体产生的早期等离子体。

方案

1. 光学系统设置（图1）

  1. 在激光器输出端后放置一个半波片和一个偏振器，用于调节激光脉冲能量。
  2. 在偏振器后设置一个分束器，将激光脉冲分为两个脉冲：泵浦脉冲和探测脉冲。
  3. 使用四个反射镜和一个手动平移台构建用于泵浦脉冲的光延迟装置。
  4. 使用另外四个反射镜引导泵浦脉冲垂直照射到靶材表面。
  5. 设置一个二次谐波发生器（SHG），将激光脉冲波长从 800 nm 转换为 400 nm。
  6. 使用谐波分离器使 800 nm 脉冲透射，同时反射 400 nm 脉冲。
  7. 设置一个光束缩小器和一对聚焦透镜，以调节探测脉冲的尺寸和会聚程度。
  8. 为探测脉冲设置另一个光延迟装置，如步骤 1.3 所述。
  9. 使用光阑环调节探测脉冲的照射区域，并确保探测脉冲水平通过靶材表面并与泵浦脉冲相交。
  10. 设置两个物镜和多个滤光片，将等离子体区域的图像引导至增强型电荷耦合器件（ICCD）相机进行接收。
  11. 使用 BNC 电缆或 USB 电缆连接计算机、激光器、ICCD 相机及其控制器。
  12. 调节相机控制器的延迟时间，直至相机捕获到探测脉冲的图像，从而实现探测脉冲与相机的同步。

2. 泵浦-探测同步

  1. 在泵浦光脉冲和探测光脉冲的交汇处放置一个分束器，并设置两个光电二极管以接收这两个脉冲。这两个光电二极管应与分束器保持相同的距离。
  2. 使用示波器接收这两个光电二极管的信号，并移动泵浦光脉冲光路中的延迟平台，直到泵浦光脉冲和探测光脉冲在示波器屏幕上的波形完全重叠。由于示波器的时间分辨率，可实现20 ps的精度。
  3. 移除如步骤2.1中所述的分束器和两个光电二极管。
  4. 调节泵浦光脉冲光路中的延迟平台，直至在ICCD屏幕上刚好能够观察到空气击穿区域。将能够检测到空气击穿形成（而非均匀背景）的时刻确定为零延迟时间。

3. 样品与载台准备

  1. 设置一个升降平台和两个手动线性位移台，以实现样品在三个自由度上的移动。
  2. 使用百分表和高精度垫片，确保位移台具有良好的平面度，其高度差在25.4 mm的距离内应控制在1 μm以内。
  3. 使用铣床从厚度为0.8 mm的铜片上切割出一块30 mm × 30 mm的正方形样品。
  4. 对铜片的一个窄边面（30 mm × 0.8 mm）进行抛光，直至表面粗糙度低于0.5 μm。
  5. 将铜片固定在上方的手动位移台上，确保抛光后的窄边朝上。
  6. 如步骤3.1所述，通过其中一个手动位移台移动靶材，同时利用ICCD相机监测其位置，若存在倾斜，可通过在靶材下方插入高精度垫片进行调整。
  7. 对另一个手动位移台重复步骤3.6。
  8. 在靶材上钻出多个小孔，同时通过第三个高精度手动位移台调节聚焦透镜的位置。聚焦点位置对应于钻出最小孔径时聚焦透镜所在的位置。

4. 消融与测量

  1. 将聚焦透镜向上移动，使其距离焦点约 50 μm。
  2. 以 0.3 mm 为间隔移动探针脉冲光路中的延迟台，每 2 ps 采集一次图像，直至 10 ps；或以 3 mm 为间隔移动延迟台，每 20 ps 采集一次图像，直至 480 ps。
  3. 重复步骤 4.2 多次，以确保可重复性和准确性。
  4. 将聚焦透镜向下移动，使其距离焦点约 50 μm，并重复步骤 4.3。

5. 代表性结果

测量得到的阴影图像分别如图2和图3所示，其中焦点位于靶表面略上方和略下方。纵向和径向膨胀位置分别绘制在图4和图5中。这两种情况下，在前100 ps内的纵向膨胀显著不同；然而，在随后的400 ps内的纵向膨胀以及径向膨胀则较为相似。对于第一种情况，早期等离子体在100 ps内具有一维多层结构的膨胀形态。对于第二种情况，早期等离子体在100 ps内具有二维膨胀结构，且变化不大。

采用该模拟模型12研究早期等离子体演化的机制。时间零点定义为激光脉冲峰值到达靶材表面的时刻。如图6和图7所示，模拟得到的两种情况下的早期等离子体演化过程均与实验测量结果吻合良好。对于第一种情况，利用该模拟模型还预测了1 ps内早期等离子体的形成过程，并在图8中展示。早期等离子体包含一个空气击穿区域和一个铜（Cu）等离子体区域。空气击穿首先由多光子电离引起，随后发生雪崩电离。然而，在第二种情况下，焦点位于靶材表面以下，未形成独立的空气击穿区域。相反，空气电离发生在铜等离子体前沿附近，其原因是铜靶发射出的自由电子通过碰撞电离引发空气电离。

光学装置示意图；超快激光光谱；泵浦-探测方法，反射镜，透镜，滤光片。
图 1. 泵浦-探测阴影成像测量的示意图。

显示在16至450皮秒时间内铜-空气界面中激波传播的超快动力学示意图。
图 2. 焦点略高于表面时，铜等离子体在不同延迟时间下的膨胀过程。激光波长：800 nm；脉冲持续时间：100 fs；功率密度：4.2 × 1014 W/cm2；靶材：Cu。

超快动力学；瞬态吸收；时间分辨显微图像；光学激发图案。
图 3. 焦点略低于表面时，Cu 等离子体在不同延迟时间下的膨胀过程。激光波长：800 nm；脉冲持续时间：100 fs；功率密度：4.2 × 1014 W/cm2；靶材：Cu。

瞬态吸收图，延迟时间与位置关系；径向与纵向数据对比分析。
图 4. 焦点略高于表面时，等离子体在不同延迟时间下的纵向与径向扩展位置。激光波长：800 nm；脉冲持续时间：100 fs；功率密度：4.2 × 1014 W/cm2；靶材：Cu。

瞬态吸收图；延迟时间（皮秒）对应的径向和轴向位置。
图 5. 焦点略低于表面时，等离子体在连续延迟时间下的轴向和径向扩展位置。激光波长：800 nm；脉冲持续时间：100 fs；功率密度：4.2 × 1014 W/cm2；靶材：Cu。

图6. 焦点略高于表面时，在70 ps延迟时间内测得的与计算的等离子体膨胀动画。激光波长：800 nm；脉冲持续时间：100 fs；功率密度：4.2 × 1014 W/cm2；靶材：Cu。点击此处查看动画。

图7. 焦点略低于表面时，在70 ps延迟时间内测得的与计算得到的等离子体膨胀动画。激光波长：800 nm；脉冲持续时间：100 fs；功率密度：4.2 × 1014 W/cm2；靶材：Cu。点击此处查看动画。

图8. 焦点略高于表面时，在1 ps延迟时间内测得的和计算的等离子体膨胀动画。激光波长：800 nm；脉冲持续时间：100 fs；功率密度：4.2 × 1014 W/cm2；靶材：Cu。 点击此处查看动画。

讨论

本文介绍的测量与模拟方法能够更准确地研究早期等离子体动力学，并更深入地理解空气和铜的电离机制。通过时间分辨率为1 ps、空间分辨率为1 μm的测量，成功捕捉到高质量的等离子体结构，且该测量具有良好的重复性。关键步骤在于精确对准光束，并制备出具有高平整度和低粗糙度的靶材表面。

该方法可适用于其他目标材料和多种激光参数。泵浦-探测阴影成像法的唯一限制是电子数密度变化过低。

披露

未声明任何利益冲突。

致谢

作者谨此衷心感谢美国国家科学基金会（资助号：CMMI-0653578，CBET-0853890）为本研究提供的经费支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
激光器Spectra-PhysicsSPTF-100F-1K-1P
ICCD 相机Princeton Instruments7467-0028
示波器RigolDS1302CA
光电二极管Newport818-BB30
线性位移台Newport433
百分表MitutoyoID-C112E

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