超短激光脉冲诱导的早期等离子体演化研究

本实验的目的是利用高时间分辨率和高空间分辨率，研究超短激光脉冲诱导的早期等离子体演化过程。通过构建一个光学系统，将一束超短激光脉冲分离为泵浦脉冲和探测脉冲，从而实现该目标。第二步。

泵浦脉冲与探测脉冲同步，为光学延迟装置提供零延迟时间。随后准备样品和载物台，以实现样品顶面的高度平整，并使样品顶面与探测脉冲平行。接下来，在目标位置的略上方和略下方进行烧蚀。

泵浦脉冲烧蚀靶材并产生早期等离子体，同时探测脉冲穿过等离子体区域，检测电子数密度的不均匀性。最终，根据测得的阴影图像，结果显示了在不同延迟时间下等离子体的膨胀过程。此外，还利用计算结果生成动画，以极高分辨率展示等离子体的形成与演化过程。

该方法有助于解答激光诱导击穿领域中的关键问题，例如焦点位置以及早期等离子体演化对激光烧蚀过程的影响。该技术的应用意义在于推动超短脉冲激光器的发展及其有效利用，因为该技术能够揭示在超短激光脉冲持续时间内，早期等离子体吸收了多少能量，并可用于增强等离子体场，服务于多种诊断及材料加工应用。用于泵浦-探测阴影成像测量的光学系统在激光输出端之后配置了半波片和偏振器，以调节激光脉冲能量。

偏振器后的分束器将激光脉冲分成两束：泵浦脉冲和探测脉冲。通过四个反射镜和一个手动平移台构建泵浦脉冲的光延迟装置。另外四个反射镜将泵浦脉冲引导至垂直照射目标表面。

二次谐波发生器将激光脉冲的波长从800纳米转换为400纳米。然后，谐波分离器透射800纳米的脉冲并反射400纳米的脉冲。接下来是光束缩束器。

另一种用于探测光的光学延迟装置。通过四个反射镜和一对聚焦透镜构建脉冲，以调节探测光脉冲的尺寸和会聚程度。利用光圈环调节探测光脉冲的照射区域，并确保探测光脉冲水平地通过目标表面，在物镜和若干滤光片附近与泵浦光脉冲相交，从而生成等离子体区域的图像，由增强型电荷耦合器件相机接收。

最后，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，调节相机控制器的延迟时间，直至相机捕获到探测光的图像。通过在泵浦光脉冲与探测光脉冲交汇处设置一个分束器，并由两个光电二极管接收这两个脉冲，从而实现泵浦-探测同步，有效同步探测光脉冲与相机的脉冲。这两个光电二极管应与分束器保持相同的距离。

然后使用示波器接收这两个光电二极管的信号，并移除分束器。移动泵浦脉冲光路中的延迟平台，直到泵浦脉冲和探测脉冲在示波器屏幕上的轮廓相互重叠。由于示波器同步后的 temporal resolution 达到 20 皮秒，因此可实现 20 皮秒的时间精度。

移除两个光电二极管。调节泵浦脉冲光路中的延迟装置，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信号的时刻确定为延迟时间零点。

该技术的关键部分是确保靶材不会遮挡等离子体图像的任何部分。为此，需要对样品和载物台进行制备，以实现样品上表面的高度平整，并使样品上表面与探针通路平行。开始制备载物台时，先安装一个实验室升降台和两个手动线性位移台。

依次通过三个自由度移动样品，使用用户刻度指示器和高精度垫片，使各阶段达到高平面度，其高度差应控制在每25.4毫米距离小于1微米。接下来，使用铣床从厚度为0.8毫米的铜板上切割出一个方形样品。再使用抛光机对铜片的一个窄边进行抛光，直至表面粗糙度低于0.5微米。

将铜片固定在顶部手动载物台上，抛光的窄面朝上。通过ICCD相机监测其位置，移动目标的同时调整手动载物台，若存在倾斜，可通过在目标下方插入高精度垫片（SHIs）进行校正。对另一个手动载物台重复此过程。

最后，在改变聚焦透镜位置的情况下，在靶材上钻出十几个孔，聚焦透镜的位置通过高精度手动三维调节平台进行调节。焦点位置对应于钻出最小孔时聚焦透镜所在的位置。实际测量应在暗处进行。

然而，为了拍摄目的，使用了少量光照进行消融。首先，将聚焦透镜向上移动至距离焦点约50微米的位置。然后，在泵浦脉冲光路中以0.3毫米的间隔移动延迟平台以捕获图像。

每2皮秒采集一次图像，直至达到10皮秒；或每隔3毫米，每20皮秒采集一次图像，直至达到480皮秒。为确保可重复性与准确性，重复该过程多次。最后一步，将聚焦透镜向下移动至距焦点约50微米的位置，并采集图像。

同样，展示了铜等离子体在不同延迟时间下膨胀所产生的测量阴影图像。这些图像对应于焦点略高于和略低于靶材表面的情况。此处绘制了当焦点略高于和略低于靶材表面时的纵向和径向膨胀位置。

这两种情况下，在前100皮秒内的纵向扩展显著不同。对于第一种情况，100皮秒内的早期等离子体具有一维多层结构的扩展形态；而对于第二种情况，早期等离子体则具有二维扩展结构，并且在100皮秒内变化不大。然而，在随后的400皮秒内的纵向扩展以及径向扩展则较为相似。此处采用一个模拟模型，通过模拟电子密度来研究当焦点略高于靶材表面时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表面的时刻。采用同一模型探讨了焦点略微位于靶表面下方的情况。模拟得到的早期等离子体演化过程与实测结果吻合良好。

在这两种情况下，利用模拟模型预测到第一种情况在1皮秒内即形成早期等离子体，该早期等离子体包含一个空气击穿区域和一个铜等离子体区域。空气击穿首先由多光子电离引起，随后发生雪崩电离；而对于第二种情况，由于焦点位于靶材表面以下，因此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，这是由于铜靶被激发后从靶材中射出的自由电子通过碰撞电离所导致的。该技术为激光烧蚀领域内的研究人员探索烧蚀过程中早期等离子体的演化提供了途径。观看本视频后，您应能很好地掌握如何利用阴影成像法来测量等离子体。