Untersuchung der frühen Evolution von Plasma ultrakurzer Laserpulse

Das Ziel dieses Experiments besteht darin, die frühe Plasmawechselwirkung, die durch ultrakurze Laserpulse mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung hervorgerufen wird, zu untersuchen. Dies wird erreicht, indem ein optisches System eingerichtet wird, bei dem ein ultrakurzer Laserpuls in einen Pump- und einen Messpuls aufgeteilt wird. Als zweiter Schritt.

Der Pumpimpuls und der Messimpuls sind synchronisiert und liefern so die Nullverzögerungszeit für die optische Verzögerungseinrichtung. Anschließend werden Probe und Probehalter so vorbereitet, dass die Oberfläche der Probe eine hohe Ebenheit aufweist und parallel zum Messimpuls ausgerichtet ist. Danach erfolgt die Ablation mit den Fokuspunkten leicht oberhalb und leicht unterhalb des Zielbereichs.

Der Pumpimpuls ablatiert das Target und erzeugt das anfängliche Plasma, während der Prop-Impuls durch den Plasma-Bereich propagiert und die Inhomogenität der Elektronendichtezahl detektiert. Letztendlich zeigen die Ergebnisse die Plasmaausdehnung zu aufeinanderfolgenden Verzögerungszeiten basierend auf den gemessenen Schattenbildern. Es werden außerdem Animationen anhand der berechneten Ergebnisse erstellt, um die Plasmaentstehung und -entwicklung mit sehr hoher Auflösung zu veranschaulichen.

Mit dieser Methode lassen sich zentrale Fragen im Outshot-Lead-Bereich beantworten, beispielsweise der Einfluss der Position des Fokuspunkts und der frühen Plasmawicklung auf die Laserablation. Die Bedeutung dieser Technik erstreckt sich auf die Entwicklung und effiziente Nutzung von Ultra-Short-Ledgern, da sie Aufschluss darüber gibt, wie viel Energie während der Ultralaserdauer vom frühen Plasma absorbiert wird und für die Verstärkung des Plasmafelds bei verschiedenen Diagnoseverfahren und der Materialbearbeitung genutzt werden kann. Das optische System, das für die Pump-Probe-Shadow-Graft-Messung eingerichtet ist, verfügt nach dem Laser-Ausgang über eine Halbwellenplatte und einen Polarisator, um die Energie des Laserpulses einzustellen.

Ein Strahlteiler hinter dem Polarisator teilt den Laserpuls in zwei Pulse auf, einen Pump-Puls und einen Proben-Puls. Vier reflektierende Spiegel und eine manuelle Translationsstufe dienen zum Aufbau einer optischen Verzögerungseinrichtung für den Pump-Puls. Weitere vier reflektierende Spiegel leiten den Pump-Puls so, dass er senkrecht auf die Zieloberfläche trifft.

Ein Frequenzverdoppler wandelt die Wellenlänge des Laserpulses von 800 Nanometern in 400 Nanometer um. Anschließend leitet ein Harmonischenseparator den 800-Nanometer-Puls durch und reflektiert den 400-Nanometer-Puls. Danach folgt ein Strahlschrumpfer.

Ein weiteres optisches Verzögerungsgerät für den Messstrahl. Der Puls wird mithilfe von vier reflektierenden Spiegeln und einem Paar fokussierender Linsen aufgebaut, die Größe und Konvergenz des Messstrahls angepasst. Ein Blendenring reguliert die Fläche des Messstrahls und stellt sicher, dass der Messstrahl horizontal an der Zieloberfläche vorbeiläuft und sich mit dem Pumpstrahl neben Objektivlinsen und mehreren Filtern kreuzt, um das Bild des Plasma-Bereichs zu erzeugen, das von der verstärkten CCD-Kamera (intensified charged coupled device camera) aufgenommen wird.

Schließlich werden der Computer, der Laser, die ICCD-Kamera und deren Steuerung mittels BNC- oder USB-Kabeln verbunden. Anschließend wird die Verzögerungszeit der Kamera-Steuerung so eingestellt, bis die Kamera ein Bild des Probes erfasst. Die effektive Synchronisierung des Probe-Pulses und des Kamera-Pump-Probe-Signals erfolgt durch einen Strahlteiler an der Kreuzung von Pump-Puls und Probe-Puls, wobei zwei Photodioden die beiden Pulse empfangen. Diese beiden Photodioden sollten den gleichen Abstand zum Strahlteiler aufweisen.

Danach wird der Strahlteiler mithilfe des Oszilloskops entfernt, um die Signale dieser beiden Photodioden zu empfangen. Bewegen Sie die Verzögerungsstufe auf dem Strahlengang des Pumpimpulses, bis die Profile des Pumpimpulses und des Messimpulses auf dem Oszilloskopbildschirm übereinanderliegen. Eine Genauigkeit von 20 Pikosekunden wird entsprechend der zeitlichen Auflösung des Oszilloskops nach der Synchronisierung erreicht.

Entfernen Sie die beiden Photodioden. Justieren Sie die Verzögerungsstufe im Pumpstrahlengang, bis der Luftdurchbruchbereich gerade noch auf dem ICCD-Bildschirm zu erkennen ist. Der Zeitpunkt, zu dem die Entstehung des Luftdurchbruchs im Gegensatz zu einem gleichmäßigen Hintergrund detektiert werden kann, wird als Null-Verzögerungszeit definiert.

Ein entscheidender Aspekt dieser Technik besteht darin, sicherzustellen, dass das Target keinen Teil des Plasma-Bildes verdeckt. Dies kann erreicht werden, indem die Probe und die Probehalterung so vorbereitet werden, dass die Oberfläche der Probe eine hohe Flachheit aufweist und parallel zur Bahn des Probenahmegeräts ausgerichtet ist. Beginnen Sie die Vorbereitung der Probehalterung mit dem Aufbau eines Lab-Hebegeräts und zweier manueller Linearstufen.

Bewegen Sie der Reihe nach die Probe mit drei Freiheitsgraden, einem Messuhrzeiger des Benutzers und hochpräzisen Einstellblechen. Um eine hohe Ebenheit der Stufen zu erreichen, sollte der Höhenunterschied ein Mikrometer pro 25,4 Millimeter Abstand betragen. Verwenden Sie anschließend eine Fräsmaschine, um eine Probe vorzubereiten, indem Sie ein quadratisches Stück aus einem Kupferblech mit einer Dicke von 0,8 Millimetern ausschneiden. Polieren Sie mithilfe einer Poliermaschine eine schmale Seite des Kupferstücks, bis die Oberflächenrauheit unter 0,5 Mikrometer liegt.

Befestigen Sie das Kupferstück auf der oberen manuellen Probe mit der polierten schmalen Seite nach oben. Bewegen Sie das Ziel um eine manuelle Probe, während Sie dessen Position über die ICCD-Kamera überwachen, sodass jede Neigung durch Einfügen hochpräziser SHIs unterhalb des Ziels ausgeglichen werden kann. Wiederholen Sie diesen Vorgang mit der anderen manuellen Probe.

Bohren Sie abschließend ein Dutzend Löcher in das Ziel, wobei Sie die Position der Fokussierlinse um ein Drittel eines hochpräzisen manuellen Stellglieds variieren. Die Lage des Fokuspunkts entspricht der Position der Fokussierlinse, bei der das kleinste Loch gebohrt wird. Die eigentliche Messung sollte im Dunkeln durchgeführt werden.

Jedoch wurde für die Filmaufnahme etwas Licht verwendet, um die Ablation durchzuführen. Zuerst bewegen Sie die Fokussierlinse etwa 50 Mikrometer vom Fokuspunkt entfernt nach oben. Danach bewegen Sie die Verzögerungsstufe auf dem Strahlengang des Propagationspulses in Intervallen von 0,3 Millimetern, um das Bild aufzunehmen.

Jeweils alle zwei Pikosekunden, bis 10 Pikosekunden erreicht sind, oder im Abstand von drei Millimetern, um alle 20 Pikosekunden ein Bild aufzunehmen, bis 480 Pikosekunden erreicht sind. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals, um Wiederholbarkeit und Genauigkeit zu gewährleisten. Als letzten Schritt bewegen Sie die Fokussierungslinse etwa 50 Mikrometer vom Fokuspunkt entfernt nach unten und nehmen die Bilder auf.

Auch hier werden erneut die gemessenen Schattenbildaufnahmen gezeigt, die aus der Expansion des Kupferplasmas zu aufeinanderfolgenden Zeitverzögerungen resultieren. Diese Aufnahmen entsprechen dem Fokuspunkt, der leicht oberhalb und leicht unterhalb der Targetoberfläche liegt. Hier sind die longitudinalen und radialen Expansionspositionen dargestellt, und zwar für den Fall, dass sich der Fokuspunkt leicht oberhalb und leicht unterhalb der Targetoberfläche befindet.

Die longitudinalen Expansionen in diesen beiden Fällen unterscheiden sich signifikant während der ersten 100 Pikosekunden: Im ersten Fall weist das frühe Plasma innerhalb von 100 Pikosekunden eine eindimensionale Expansionsstruktur auf, die aus mehreren Schichten besteht. Im zweiten Fall besitzt das frühe Plasma eine zweidimensionale Expansionsstruktur, die sich innerhalb von 100 Pikosekunden kaum ändert. Die longitudinalen Expansionen in den folgenden 400 Pikosekunden sowie die radialen Expansionen sind jedoch ähnlich. Hier wird ein Simulationsmodell verwendet, um den Mechanismus der frühen Plasmavolution über die simulierte Elektronendichte zu untersuchen, wenn sich der Fokuspunkt leicht oberhalb der Targetoberfläche befindet.

Der Zeitpunkt null ist definiert als der Zeitpunkt, zu dem der Gipfel des Laserpulses die Targetoberfläche erreicht. Dasselbe Modell wird verwendet, um den Fall zu untersuchen, bei dem der Fokuspunkt leicht unterhalb der Targetoberfläche liegt. Die simulierten frühen Plasmaverevolutionsprozesse stimmen gut mit den gemessenen Ergebnissen überein.

In beiden Fällen wird die Bildung des frühen Plasmas innerhalb eines Pikosekunden auch für den ersten Fall mithilfe des Simulationsmodells vorhergesagt, wobei das frühe Plasma eine Luftdurchbruchsregion und eine Kupferplasma-Region aufweist. Der Luftdurchbruch wird im zweiten Fall zunächst durch Mehrophotonenionisation und anschließend durch Lawinenionisation verursacht. Der Fokuspunkt liegt jedoch unterhalb der Targetoberfläche, und es bildet sich keine getrennte Luftdurchbruchsregion aus.

Stattdessen tritt eine Luftionisierung in der Nähe der Kupferplasmafront auf und wird durch Stoßionisation verursacht, die auf die aus dem Kupfertarget nach dessen Entwicklung ausgestoßenen freien Elektronen zurückzuführen ist. Diese Technik ebnete Forschern auf dem Gebiet des Kunststoff-Lasers den Weg, die frühe Plasmawechselwirkung im Ablationsprozess zu untersuchen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Shadowgraphie zur Messung von Plasmen einsetzt.