Enquête de l'évolution rapide du plasma induite par lasers engendrent des impulsions

L'objectif de cette expérience est d'examiner l'évolution précoce du plasma induite par des impulsions laser ultracourtes avec des résolutions temporelle et spatiale élevées. Cela est réalisé en mettant en place un système optique dans lequel une impulsion laser ultracourte est divisée en une impulsion pompe et une impulsion sonde. Dans un deuxième temps.

L'impulsion pompe et l'impulsion sonde sont synchronisées, fournissant un temps de retard nul pour le dispositif de retard optique. L'échantillon et le porte-échantillon sont ensuite préparés afin d'obtenir une grande planéité de la surface supérieure de l'échantillon et de rendre cette surface parallèle à l'impulsion sonde. Ensuite, une ablation est réalisée avec les points focaux légèrement au-dessus et légèrement en dessous de la cible.

L'impulsion de pompe vaporise la cible et génère le plasma précoce, tandis que l'impulsion de propagation traverse la région du plasma et détecte l'inhomogénéité de la densité électronique. En définitive, les résultats montrent l'expansion du plasma à des délais successifs, basée sur les images d'ombre mesurées. Des animations sont également générées à partir des résultats calculés afin d'illustrer la formation et l'évolution du plasma avec une très haute résolution.

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine du laser à impulsion de sortie, telles que l'effet de la position du point focal et de l'évolution précoce du plasma sur l'ablation laser. Les implications de cette technique s'étendent à la conception et à l'utilisation efficace des lasers ultracourts, car elle permet de déterminer combien d'énergie est absorbée par le plasma précoce pendant la durée du laser ultracourt, et peut être utilisée pour l'amplification du champ de plasma dans divers travaux de diagnostic et de traitement des matériaux. Le système optique mis en place pour la mesure de pompe-sonde par ombrographie comporte une lame demi-onde et un polariseur placés après la sortie du laser afin de régler l'énergie de l'impulsion laser.

Un séparateur de faisceau placé après le polariseur divise l'impulsion laser en deux impulsions : l'impulsion pompe et l'impulsion sonde. Quatre miroirs réflecteurs et une platine de translation manuelle sont utilisés pour constituer un dispositif optique de retard pour l'impulsion pompe. Quatre autres miroirs réflecteurs dirigent l'impulsion pompe afin qu'elle atteigne perpendiculairement la surface cible.

Un générateur de deuxième harmonique transforme la longueur d'onde de l'impulsion laser de 800 nanomètres à 400 nanomètres. Ensuite, un séparateur d'harmoniques transmet l'impulsion de 800 nanomètres et réfléchit l'impulsion de 400 nanomètres. Un réducteur de faisceau suit.

Un autre dispositif optique de retard pour la sonde. L'impulsion est constituée à l'aide de quatre miroirs réflecteurs et d'une paire de lentilles focales qui ajustent la taille et la convergence de l'impulsion de la sonde. Un diaphragme à iris règle la section de l'impulsion de la sonde et garantit que celle-ci traverse la surface cible horizontalement et croise l'impulsion pompe à proximité des lentilles objectives, ainsi que plusieurs filtres permettant de générer l'image de la région de plasma destinée à être captée par la caméra à couplage de charge intensifiée.

Enfin, l'ordinateur, le laser, la caméra ICCD et son contrôleur sont connectés à l'aide de câbles BNC ou de câbles USB ; ajustez le temps de délai du contrôleur de la caméra jusqu'à ce que la caméra capture une image du faisceau sonde. La synchronisation efficace entre l'impulsion pompe et l'impulsion sonde, ainsi que la synchronisation entre la caméra et la sonde, est réalisée à l'aide d'un séparateur de faisceau situé à l'intersection de l'impulsion pompe et de l'impulsion sonde, deux photodiodes recevant les deux impulsions. Ces deux photodiodes doivent se trouver à la même distance du séparateur de faisceau.

Ensuite, le séparateur de faisceau est retiré en utilisant un oscilloscope pour recevoir les signaux de ces deux photodiodes. Déplacez la platine de retard sur le trajet du faisceau de la pulsation pompe jusqu'à ce que les profils de la pulsation pompe et de la pulsation sonde se superposent sur l'écran de l'oscilloscope. Une précision de 20 picosecondes est obtenue selon la résolution temporelle de l'oscilloscope après synchronisation.

Retirez les deux photodiodes. Ajustez le dispositif de retard sur le trajet du faisceau du pulse de pompe jusqu'à ce que la zone de claquage dans l'air soit juste visible sur l'écran du CCD intensifié. Le moment où l'apparition du claquage dans l'air peut être détectée, au lieu d'un fond uniforme, est défini comme le temps de retard zéro.

Une partie essentielle de cette technique consiste à s'assurer que la cible n'obstrue aucune partie de l'image du plasma. Cela peut être réalisé en préparant l'échantillon et le porte-objet de manière à obtenir une grande planéité de la surface supérieure de l'échantillon, et à rendre cette surface supérieure parallèle au trajet de la sonde. Commencez la préparation du porte-objet par la mise en place d'un vérin de laboratoire et de deux étages linéaires manuels.

Dans l'ordre, déplacez l'échantillon avec trois degrés de liberté, un indicateur à cadran réglable par l'utilisateur et des cales de haute précision afin d'obtenir une planéité élevée des plateaux ; la différence de hauteur doit être inférieure à un micron par 25,4 millimètres de distance. Ensuite, utilisez une fraiseuse pour préparer un échantillon en découpant un morceau carré dans une feuille de cuivre d'une épaisseur de 0,8 millimètre. Utilisez une polisseuse pour polir un côté étroit de la pièce de cuivre jusqu'à ce que la rugosité de surface soit inférieure à 0,5 micron.

Fixez le morceau de cuivre sur le support manuel supérieur avec le côté étroit poli orienté vers le haut. Déplacez la cible d’un pas sur le support manuel tout en surveillant sa position à l’aide de la caméra ICCD, de sorte qu’une éventuelle inclinaison puisse être corrigée en insérant des cales de haute précision (SHI) sous la cible. Répétez ce processus avec l’autre support manuel.

Enfin, percez une douzaine de trous sur la cible tout en faisant varier la position de la lentille focale à l’aide d’un dispositif manuel de haute précision sur un tiers de sa course. L’emplacement du point focal correspond à la position de la lentille focale où le trou le plus petit est percé. La mesure réelle doit être effectuée dans l’obscurité.

Cependant, à des fins de tournage, une légère illumination a été utilisée pour réaliser l'ablation. Tout d'abord, déplacez la lentille focale vers le haut, à une distance d'environ 50 micromètres du point focal. Ensuite, déplacez la platine de retard sur le trajet du faisceau d'impulsion propulseur par intervalles de 0,3 millimètre afin de capturer l'image.

Toutes les deux picosecondes jusqu'à atteindre 10 picosecondes, ou avec un intervalle de trois millimètres pour capturer l'image toutes les 20 picosecondes jusqu'à atteindre 480 picosecondes. Répétez ce processus plusieurs fois pour assurer la reproductibilité et la précision. Comme étape finale, déplacez la lentille focale vers le bas à une distance d'environ 50 micromètres du point focal et capturez les images.

À nouveau, les images de graphes d'ombres mesurées résultant de l'expansion d'un plasma de cuivre à des temps de délai successifs sont présentées. Ces images correspondent à un point focal situé légèrement au-dessus et légèrement en dessous de la surface de la cible. Ici, les positions d'expansion longitudinale et radiale sont tracées pour les cas où le point focal se trouve légèrement au-dessus et légèrement en dessous de la surface de la cible.

Les expansions longitudinales dans ces deux cas sont significativement différentes durant les 100 premières picosecondes : dans le premier cas, le plasma précoce au cours des 100 premières picosecondes présente une structure d'expansion unidimensionnelle composée de plusieurs couches. Dans le second cas, le plasma précoce possède une structure d'expansion bidimensionnelle qui ne change pas beaucoup en 100 picosecondes. Toutefois, les expansions longitudinales durant les 400 picosecondes suivantes ainsi que les expansions radiales sont similaires. Ici, un modèle de simulation est utilisé pour étudier le mécanisme d'évolution du plasma précoce à travers la densité électronique simulée lorsque le point focal se situe légèrement au-dessus de la surface de la cible.

L'instant zéro est défini comme le moment où le pic de l'impulsion laser atteint la surface de la cible. Le même modèle est utilisé pour étudier le cas où le point focal se situe légèrement en dessous de la surface de la cible. Les processus simulés d'évolution précoce du plasma concordent bien avec les résultats mesurés.

Dans les deux cas, la formation du plasma précoce en moins d'une picoseconde est également prédite pour le premier cas à l'aide du modèle de simulation ; on observe que le plasma précoce présente une région de claquage de l'air et une région de plasma de cuivre. Le claquage de l'air est d'abord provoqué par ionisation multiphotonique, puis suivi d'une ionisation en avalanche pour le second cas. Toutefois, le point focal se situe en dessous de la surface de la cible et aucune région de claquage de l'air distincte n'est formée.

Au lieu de cela, l'ionisation de l'air se produit près du front du plasma de cuivre et est causée par l'ionisation par impact due aux électrons libres éjectés de la cible de cuivre après son développement. Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine du laser à tir d'art pour explorer l'évolution précoce du plasma lors du processus d'ablation. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière d'utiliser la méthode de shadowgraphie pour mesurer les plasmas.