Se presenta un protocolo para la irradiación automatizada de láminas de oro delgadas con pulsos láser de alta intensidad. El protocolo incluye una descripción paso a paso del proceso de fabricación de objetivos de micromecanizado y una guía detallada de cómo se llevan los objetivos al enfoque del láser a una velocidad de 0,2 Hz.
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Artículo de método
Entrega automatizada de objetivos microfabricados para experimentos de irradiación láser intensa
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Resumen
Resumen
Descrito es un procedimiento experimental que permite la irradiación láser de alta potencia de objetivos microfabricados. Los objetivos son llevados al enfoque láser mediante un bucle de retroalimentación cerrado que opera entre el manipulador de destino y un sensor de rango. El proceso de fabricación de destino se explica en detalle. Se dan resultados representativos de haces de protones a nivel MeV generados por irradiación de láminas de oro de 600 nm de espesor a una velocidad de 0,2 Hz. El método se compara con otros sistemas de objetivos reabastecidos y se discuten las perspectivas de aumentar las tasas de disparos por encima de 10 Hz.
Introducción
La irradiación láser de alta intensidad de objetivos sólidos genera múltiples formas de radiación. Uno de ellos es la emisión de iones energéticos con energías en el nivel1de Mega electron-volt (MeV). Una fuente compacta de iones MeV tiene potencial para muchas aplicaciones, tales como protones de encendido rápido2,radiografía de protones3,radioterapia iónica4y generación de neutrones5.
Un desafío importante para hacer que la aceleración de iones láser sea práctica es la capacidad de posicionar objetivos a escala de micrómetros con precisión dentro del foco del láser a una alta velocidad. Se desarrollaron pocas tecnologías de entrega objetivo para responder a este desafío. Los más comunes son los sistemas de destino basados en cintas gruesas a escala de micrómetros. Estos objetivos son fáciles de reponer y pueden colocarse fácilmente dentro del foco del láser. El objetivo de la cinta se ha hecho usando cintas VHS6,cobre7,Mylar y Kapton8. El sistema de accionamiento de cinta consiste típicamente en dos bobinas motorizadas para enrollar y desenrollar y dos pasadores verticales colocados entre ellos para mantener la cinta en la posición9. La precisión en el posicionamiento de la superficie de la cinta suele ser menor que la gama Rayleigh de la viga de enfoque. Otro tipo de objetivo láser reponeble son las láminas líquidas10. Estos objetivos se entregan rápidamente a la región de interacción e introducen una cantidad muy baja de escombros. Este sistema comprende una bomba de jeringa de alta presión suministrada continuamente con líquido de un depósito. Recientemente, se establecieron nuevos chorros criogénicos de hidrógeno11 como medios para ofrecer objetivos ultrafinos, bajos en escombros y reabastecidos.
El principal inconveniente de todos estos sistemas de destino reponebles es la elección limitada de materiales y geometrías objetivo, que están dictados por requisitos mecánicos como la resistencia, la viscosidad y la temperatura de fusión.
Aquí, se describe un sistema capaz de llevar objetivos micromámetrales al foco de un láser de alta intensidad a una velocidad de 0,2 Hz. Micromachining ofrece una amplia selección de materiales de destino en geometrías versátiles12. El posicionamiento de destino se realiza mediante una retroalimentación de bucle cerrado entre un sensor de desplazamiento comercial y un manipulador motorizado.
El sistema de entrega objetivo se probó utilizando un sistema láser de 20 TW de alto contraste que proporciona pulsos láser de 25 fs de largo con 500 mJ en el objetivo. Una revisión de la arquitectura del sistema láser se da en Porat et al.13, y una descripción técnica del sistema de destino se da en Gershuni et al.14. Este documento presenta un método detallado para hacer y utilizar este tipo de sistema y muestra resultados representativos de la aceleración de iones láser a partir de objetivos de láminas de oro ultrafino.
El espectrómetro de iones Thomson Parabola (TPIS)15,16 mostrado en la Figura 1 se utilizó para registrar los espectros de energía de los iones emitidos. En un TPIS, los iones acelerados pasan a través de campos eléctricos y magnéticos paralelos, lo que los coloca en trayectorias parabólicas en el plano focal. La curvatura parabólica depende de la relación carga-masa del ion, y la ubicación a lo largo de la trayectoria se establece por la energía del ion.
Una placa de imagen BAS-TR (IP)17 colocada en el plano focal del TPIS registra los iones que imping. La IP se adjunta a una alimentación mecánica para permitir la traducción a un área fresca antes de cada toma.
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Protocolo
1. Fabricación de objetivos
NOTA: La Figura 2 y la Figura 3 ilustran el proceso de fabricación de láminas de oro independientes.
- Reverso
- Utilice una oblea de silicio de alta tensión de 250 mm de espesor y 100 mm de diámetro en una formación de cristal <100>, recubierta en ambos lados con nitruro de silicio.
- Limpie la oblea con acetona seguida de isopropanol y seque con nitrógeno. A continuación, gire la capa de una capa de HMDS para formar una capa adhesiva siguiendo los pasos descritos en la Tabla 1.
- Gire la oblea con una capa fotorresista AZ1518 siguiendo los pasos descritos en el Cuadro 2.
- Hornee la oblea a 100 oC durante 1 min, luego déjela enfriar.
- Fotolitografía de 1.000 m x 1.000 m de aberturas cuadradas al vacío, exponiendo la oblea en 1 ciclo de 4 a 7 segundos a una lámpara UV de 400 nm. La oblea está expuesta a una fluidez general de 40 J/cm2. Utilice un desarrollador AZ726K para exponer el nitruro de silicio y un baño de agua deshidratada para detener el proceso.
- Utilice Reactive Ion Etcher (RIE) para eliminar el nitruro de silicio en la ubicación de los cuadrados.
- Utilice un baño de N-metil-2-pirrolidona (NMP) durante 20 minutos para eliminar la resistencia residual y fotorresistente, produciendo una réplica de la máscara en la capa de nitruro de silicio. Lave la oblea con agua dulce y séquela con nitrógeno.
- Sumerja la oblea en una solución de hidróxido de potasio de 30%, 90 oC, para grabar el silicio a través de las aberturas cuadradas. Sumerja la oblea durante 40 minutos por cada 50 m de silicio que necesita ser grabado. Debido a que la velocidad de grabado en el plano <100> es mucho mayor que en otros, el hidróxido de potasio alcanza la capa inferior de nitruro de silicio a través del volumen de silicio antes de grabar cualquier profundidad significativa en la máscara de nitruro de silicio.
- Lado frontal
- Para el lado frontal, repita los pasos 1.1.1–1.1.6 con una máscara en forma de tres anillos concéntricos.
- Utilice RIE para eliminar el nitruro de silicio donde se encuentran los anillos, seguido de un baño NMP para eliminar las sobras de resistencia y fotorresiste.
- Por último, para ásperar los anillos de silicio, hundir la oblea en ácido nítrico y en una solución de nitrato de plata de 0,02 M y fluoruro de hidrógeno de 4 M.
- En el lado grabado de la oblea, utilice una máquina de deposición de vapor físico (PVD)18 para pulverizar una capa de unos pocos cientos de nanómetros de oro encima de una película delgada de 10 nm de titanio adhesivo, níquel o cromo. La capa de oro pulverizada se convertirá en el objetivo de membrana independiente.
2. Alineación
NOTA: La Figura 4 muestra la configuración de irradiación de destino.
- Lleve a la vista un primer objetivo elegido arbitrariamente bajo un microscopio de aumento de 100x.
- Apunte un sensor de rango de triangulación (por ejemplo, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 al anillo rugoso más cercano al objetivo, y registre su lectura de desplazamiento.
NOTA: El modelo de sensor de rango utilizado no está diseñado para aplicaciones de alto vacío. Diferentes modelos, como el MTI-2100 del mismo proveedor, son compatibles con aplicaciones de baja emisión de gases. - Mientras deja el microscopio en su lugar, mueva la oblea a una distancia conocida para despejar la trayectoria del haz.
- Usando dos espejos plegables y el espejo parabólico fuera del eje (OAP), alinee el haz en baja potencia en el campo de visión del microscopio.
- Ajuste estos tres espejos para corregir astigmatismos en la viga. El resultado debe ser un punto focal casi limitado por difracción.
- Bloquee el rayo láser y vuelva a poner el objetivo en el foco del microscopio. Valide su posición utilizando el microscopio y la lectura del sensor de rango.
- Mueva el microscopio a una posición en la que se mantendrá a salvo de la luz láser y los desechos.
3. Secuencia de irradiación y posicionamiento automatizado del objetivo
- Implemente una retroalimentación de bucle cerrado entre el manipulador del eje focal del objetivo y la lectura del sensor de desplazamiento mediante software. Utilice el valor registrado del paso de protocolo 2.2 como punto de consigna. La secuencia de control principal de PID20, preparada con LabView, se muestra en la Figura 5.
- Una vez que el posicionamiento de bucle cerrado haya alcanzado la distancia de tolerancia deseada desde el punto de consigna, irradiar el objetivo con un solo pulso láser de alta potencia.
- Traduzca la IP utilizando la alimentación mecánica a una nueva posición.
- Repita la secuencia de irradiación con el siguiente objetivo puesto en foco por el software.
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Resultados
Este sistema de entrega objetivo se empleó para acelerar los iones desde la parte posterior de las láminas de oro de 600 nm de espesor. Cuando se irradian con una intensidad láser normalizada de un0 x 5,6, estos iones fueron acelerados por el mecanismo de aceleración de vaina normal (TNSA) objetivo21. En TNSA, la luz de menor intensidad que precedió al pulso láser principal ionizó la superficie frontal de la lámina objetivo. La fuerza ponderomotiva ejercida por el pulso láser principal ...
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Discusión
Con algunas variaciones, el proceso de fabricación objetivo descrito en este protocolo es común (por ejemplo, Zaffino et al.23). Aquí, un paso único que es crítico para el funcionamiento del posicionamiento automático es la adición de rugoso a escala de nanómetros en áreas en forma de anillo en la parte posterior de la oblea (paso 1.2.3). El propósito de este paso es aumentar la dispersión difusa del incidente de luz en la oblea en esas áreas. El sensor de rango brilla un rayo láser de baja potenc...
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Divulgaciones
Los autores no tienen intereses financieros en competencia.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido apoyado por la Fundación De Ciencias de Israel, la subvención No. 1135/15 y por el Programa de Liderazgo Zuckerman STEM, Israel, que son reconocidos con gratitud. También reconocemos el apoyo de la Fundación Pazy, la subvención de Israel #27707241 y la subvención NSF-BSF No 01025495. Los autores quieren reconocer amablemente al Centro Universitario de Nanociencia y Nanotecnología de Tel Aviv
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 76,2 x 127 mm EFL 90 grados; Oro Protegido 100Å Espejo parabólico fuera del eje | Edmund optics | 35-535 | |
| MicroTrak 3 LTS 120-20 | MTI Instruments | ||
| Espejos dieléctricos ultrarrápidos de alta potencia para | Thorlabs de |
Referencias
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Reimpresiones y permisos
Erratum
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
