本文介绍了一种利用高强度激光脉冲自动辐照薄金箔的实验方案。该方案包含微加工靶材制备过程的逐步说明，以及如何以0.2 Hz的频率将靶材送至激光焦点的详细操作指南。
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摘要
摘要
本文描述了一种可实现对微加工靶材进行高功率激光辐照的实验方法。通过在靶材操控装置与测距传感器之间运行的闭环反馈系统，将靶材送至激光焦点位置。文中详细阐述了靶材的制备过程，并给出了以0.2 Hz的频率辐照600 nm厚金箔后产生兆电子伏（MeV）级质子束的典型实验结果。该方法与其他可更换靶材系统进行了比较，并探讨了将打靶频率提升至10 Hz以上的前景。
引言
高强度激光辐照固体靶会产生多种形式的辐射，其中之一便是能量达到兆电子伏特（MeV）量级的高能离子发射1。MeV离子的紧凑型辐射源在多个领域具有应用潜力，例如质子快点火2、质子照相3、离子放射治疗4以及中子产生5。
实现激光离子加速实用化的一个主要挑战在于，如何以高重复频率将微米尺度的靶材精确地定位在激光焦点内。目前仅有少数靶材输送技术被开发出来以应对这一挑战。其中最常见的是基于微米级厚度胶带的靶系统。这类靶材易于补充，且可方便地定位在激光焦点内。已用于制作胶带靶的材料包括VHS6、铜7、Mylar和Kapton8胶带。胶带驱动系统通常由两个电动卷轴组成，用于收卷和放卷，两个垂直定位销则置于其间以固定胶带位置9。胶带表面的定位精度通常小于聚焦光束的瑞利长度。另一种可补充的激光靶是液态薄片10。这类靶材可快速输送到相互作用区域，并产生极少的残余物。该系统由一个高压注射泵构成，液体从储液器持续供给。最近，新型低....
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方案
1. 靶材制备
注意：图2 和 图3 展示了自支撑金箔的制备过程。
- 背面
- 使用厚度为 250 μm、直径为 100 mm、晶体取向为 <100> 的高应力硅片，双面涂覆氮化硅。
- 依次使用丙酮 和异丙醇清洗硅片，并用氮气吹干。 随后旋涂一层 HMDS 以形成粘附层，具体步骤见表 1。
- 按照 表 2中所述步骤，在硅片上旋涂 AZ1518 光刻胶层。
- 在 100 °C 下烘烤 1 分钟，然后冷却。
- 在真空条件下进行光刻，曝光形成 1,000 μm × 1,000 μm 的方形开口，使用 400 nm 紫外灯曝光 1 个循环，时间为 4 至 7 秒 。硅片接受的总辐照量为 40 J/cm2。使用 AZ726K 显影液显影以暴露氮化硅，再用去水浴终止显影过程。
- 使用反应离子刻蚀机（RIE）去除方形区域内的氮化硅。
- 将硅片浸入 N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中 20 分钟，以去除残留的光刻胶和抗蚀剂，在氮化硅层上形....
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结果
该靶向输运系统被用于从600 nm厚的金箔背面加速离子。当以归一化激光强度a0 = 5.6照射时，这些离子通过靶法向鞘层加速（TNSA）机制被加速21。在TNSA机制中，主激光脉冲前的低强度光使靶箔前表面发生电离。主激光脉冲产生的纵场力推动热电子穿过体材料。这些电子在背面引起的电荷分离22，形成了极强的静电梯度，从而沿靶法向方向加速了靶材中的离子污染物。
沿焦轴方向的目标位移时间序列如图所示 图6。数值相对于焦平面位置设定点。绿色圆点表示目标位移在容差范围内的时刻 1 μm 从设定点；此时会进行一次激光照射。
图7展示了对600 nm厚金箔靶材连续辐照14次所获得的TPIS信号迹线。由这些迹线导出的质子能量谱如图8所示。最大质子能量的.......
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讨论
尽管存在一些变化，本方案中描述的目标制备工艺是常见的（例如 Zaffino 等人23）。其中，一个对自动定位操作至关重要的独特步骤是在晶圆背面的环形区域引入纳米尺度的粗糙化处理（步骤 1.2.3）。该步骤的目的是增强入射光在这些区域的漫散射。测距传感器将一束低功率激光照射到晶圆上，收集散射光，并通过三角测量法确定其位移。
上述数据的采集速率为每5秒一次采样，限制因素是IP的平移时间。此处展示的是一种简单、低成本的在线读出方法的初步结果，该方法将提高采样占空比。传统的在线读出通常使用微通道板24或塑料闪烁体25,26实现。在后一种情况下，需要使用昂贵的、带像增强器的门控CCD相机来记录相对微弱的闪烁光信号。当前系统采用了一种基于不同闪烁体材料CsI(Tl)的更简单的读出系统，其发光强度足以使用低成本、低动态范围的CCD相机进行记录。这种闪烁体材料的选择此前已由Pappala.......
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披露
作者无竞争性财务利益。
致谢
本工作得到了以色列科学基金会（资助号：1135/15）和以色列Zuckerman STEM领导力计划的资助，特此致谢。我们还感谢以色列Pazy基金会（资助号：27707241）以及NSF-BSF基金（资助号：01025495）的支持。 作者谨此感谢特拉维夫大学纳米科学与纳米技术中心
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 76.2 x 127 mm EFL 90° 保护型金膜 100Å 离轴抛物面反射镜 | Edmund optics | 35-535 | |
| MicroTrak 3 LTS 120-20 | MTI Instruments | ||
| 800 nm 超快高功率介质反射镜 | Thorlabs |
参考文献
- Snavely, R. A., et al. Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids. Physical Review Letters. 85, 4945(2000).
- Tosaki, S., et al. Evaluation of laser-driven ion energies for fu....
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重印与许可
勘误
Formal Correction: Erratum: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments
Posted by JoVE Editors on 4/16/2021. Citeable Link.
An erratum was issued for: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments. The author list was updated.
The author list was updated from:
Yonatan Gershuni1,2, Michal Elkind1,2, Itamar Cohen1,2, Aviad Tsabary1,2, Deep Sarkar1,2, Ishay Pomerantz1,2
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University,
2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction
to:
Yonatan Gershuni1,2, Michal Elkind1,2, Dolev Roitman1,2, Itamar Cohen1,2, Aviad Tsabary1,2, Deep Sarkar1,2, Ishay Pomerantz1,2
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University,
2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction
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