Viene presentato un protocollo per l'irradiazione automatizzata di fogli d'oro sottili con impulsi laser ad alta intensità. Il protocollo include una descrizione dettagliata del processo di fabbricazione del bersaglio di microlavorazione e una guida dettagliata su come gli obiettivi vengono portati al fuoco del laser a una velocità di 0,2 Hz.
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Articolo metodologico
Consegna automatizzata di bersagli microfabbricati per intensi esperimenti di irradiazione laser
In questo articolo
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Sommario
Abstract
Descritta è una procedura sperimentale che consente l'irradiazione laser ad alta potenza di bersagli microfabbricati. I bersagli vengono portati a fuoco al laser da un circuito di feedback chiuso che opera tra il manipolatore di destinazione e un sensore di gamma. Il processo di fabbricazione del bersaglio è spiegato in dettaglio. Vengono forniti risultati rappresentativi dei fasci di protoni a livello MeV generati dall'irradiazione di fogli d'oro spessi 600 nm ad una velocità di 0,2 Hz. Il metodo viene confrontato con altri sistemi bersaglio ricostituibili e vengono discusse le prospettive di aumentare le velocità di tiro a oltre 10 Hz.
Introduzione
L'irradiazione laser ad alta intensità di bersagli solidi genera molteplici forme di radiazione. Uno di questi è l'emissione di ioni energetici con energie al livello mega elettronvolt (MeV)1. Una sorgente compatta di ioni MeV ha un potenziale per molte applicazioni, come l'accensione rapida dei protoni2,la radiografiaprotonica 3,la radioterapiaionica 4e la generazione di neutroni5.
Una sfida importante nel rendere pratica l'accelerazione degli ioni laser è la capacità di posizionare con precisione i bersagli su scala micrometrica all'interno della messa a fuoco del laser ad alta velocità. Per rispondere a questa sfida sono state sviluppate poche tecnologie di consegna target. I più comuni sono i sistemi di destinazione basati su nastri spessi su scala micrometrica. Questi bersagli sono semplici da reintegrare e possono essere facilmente posizionati all'interno del fuoco del laser. Il bersaglio a nastro è stato realizzato utilizzando nastri VHS6,copper7,Mylar e Kapton8. Il sistema di unità nastro è in genere costituito da due bobine motorizzate per l'avvolgimento e lo srotolamento e due perni verticali posizionati tra di loro per mantenere il nastro inposizione 9. La precisione nel posizionamento della superficie del nastro è in genere inferiore alla gamma Rayleigh del fascio di messa a fuoco. Un altro tipo di bersaglio laser ricostituibile sono i fogliliquidi 10. Questi obiettivi vengono consegnati rapidamente nella regione di interazione e introducono una quantità molto bassa di detriti. Questo sistema comprende una pompa per siringhe ad alta pressione fornita continuamente con liquido da un serbatoio. Recentemente, nuovi getti criogenici di idrogeno11 sono stati stabiliti come mezzi per fornire bersagli ultrathin, a bassa debris e ricostituibili.
Lo svantaggio principale di tutti questi sistemi target rimintegrabili è la scelta limitata di materiali e geometrie target, che sono dettati da requisiti meccanici come resistenza, viscosità e temperatura di fusione.
Qui viene descritto un sistema in grado di portare bersagli micromacchinato al centro di un laser ad alta intensità ad una velocità di 0,2 Hz. La micromacchinizzazione offre un'ampia scelta di materiali target in geometrie versatili12. Il posizionamento del bersaglio viene eseguito da un feedback a circuito chiuso tra un sensore di spostamento commerciale e un manipolatore motorizzato.
Il sistema di erogazione del bersaglio è stato testato utilizzando un sistema laser a contrasto elevato da 20 TW che fornisce impulsi laser lunghi 25 fs con 500 mJ sul bersaglio. Una revisione dell'architettura del sistema laser è fornita in Porat etal. Questo documento presenta un metodo dettagliato per la realizzazione e l'utilizzo di questo tipo di sistema e mostra i risultati rappresentativi dell'accelerazione degli ioni laser da bersagli in lamina d'oro ultrathin.
Lo spettrometro ionico Thomson Parabola (TPIS)15,16 mostrato nella figura 1 è stato utilizzato per registrare gli spettri energetici degli ioni emessi. In un TPIS, gli ioni accelerati passano attraverso campi elettrici e magnetici paralleli, il che li posiziona su traiettorie paraboliche nel piano focale. La curvatura parabolica dipende dal rapporto carica-massa dello ione, e la posizione lungo la traiettoria è impostata dall'energia dello ione.
Una piastra di imaging BAS-TR (IP)17 posizionata sul piano focale del TPIS registra gli ioni imping. L'IP è collegato a un feedthrough meccanico per consentire la traduzione in una nuova area prima di ogni scatto.
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Protocollo
1. Fabbricazione target
NOTA: La figura 2 e la figura 3 illustrano il processo di fabbricazione di fogli d'oro indipendenti.
- Lato posteriore
- Utilizzare un wafer di silicio ad alta sollecitazione dello spessore di 250 μm, di 100 mm di diametro, in una formazione cristallina <100>, rivestita su entrambi i lati con nitruro di silicio.
- Pulire il wafer con acetone seguito da isopropanolo e asciugare con azoto. Quindi ruotare uno strato di HMDS per formare uno strato adesivo seguendo i passaggi descritti nella tabella 1.
- Spin-coat il wafer con uno strato fotoresist AZ1518 seguendo i passaggi descritti nella tabella 2.
- Cuocere il wafer a 100 °C per 1 minuto, quindi lasciarlo raffreddare.
- Fotolitografo 1.000 μm x 1.000 μm aperture quadrate sotto vuoto, esponendo il wafer in 1 ciclo da 4 a 7 secondi a una lampada UV da 400 nm. Il wafer è esposto ad una fluenza complessiva di 40 J/cm2. Usa uno sviluppatore AZ726K per esporre il nitruro di silicio e un bagno di acqua disidratata per fermare il processo.
- Utilizzare Ion Etcher reattivo (RIE) per rimuovere il nitruro di silicio nella posizione dei quadrati.
- Utilizzare un bagno N-metil-2-pirrolidone (NMP) per 20 minuti per rimuovere la resistenza residua e il fotoresist, producendo una replica della maschera sullo strato di nitruro di silicio. Lavare il wafer sotto acqua dolce e asciugare con azoto.
- Affondare il wafer in una soluzione di idrossido di potassio del 30%, 90 °C, per incidere il silicio attraverso le aperture quadrate. Affondare il wafer per 40 minuti per ogni 50 μm di silicio che deve essere inciso. Poiché la velocità di incisione nel piano <100> è molto più alta che in altri, l'idrossido di potassio raggiunge lo strato inferiore di nitruro di silicio attraverso la massa di silicio prima di incidere qualsiasi profondità significativa nella maschera di nitruro di silicio.
- Lato anteriore
- Per il lato anteriore, ripetere i passaggi da 1.1.1 a 1.1.6 con una maschera a forma di tre anelli concentrici.
- Utilizzare RIE per rimuovere il nitruro di silicio in cui si trovano gli anelli, seguito da un bagno NMP per rimuovere gli avanzi di resistenza e fotoresist.
- Infine, per irrourare gli anelli di silicio, affondare il wafer in acido nitrico e in una soluzione di nitrato d'argento da 0,02 M e fluoruro di idrogeno da 4 M.
- Sul lato inciso del wafer, utilizzare una macchina fisica per la deposizione di vapore (PVD)18 per sputter uno strato di poche centinaia di nanometri d'oro sopra un film sottile di ~ 10 nm di titanio adesivo, nichel o cromo. Lo strato d'oro sputtered diventerà il bersaglio della membrana indipendente.
2. Allineamento
NOTA: la figura 4 mostra l'impostazione dell'irradiazione bersaglio.
- Porta in vista un primo bersaglio scelto arbitrariamente al microscopio da ingrandimento 100x.
- Puntare un sensore di triangolazione (ad esempio, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 all'anello ruvido più vicino al bersaglio e registrare la sua lettura di spostamento.
NOTA: Il modello di sensore di gamma utilizzato non è destinato ad applicazioni ad alto vuoto. Diversi modelli, come l'MTI-2100 dello stesso fornitore, sono compatibili con applicazioni a basso degassamento. - Mentre si lascia il microscopio in posizione, spostare il wafer lontano a una distanza nota per liberare il percorso del fascio.
- Utilizzando due specchi pieghevoli e lo specchio parabolico off-axis (OAP), allineare il fascio a bassa potenza nel campo visivo del microscopio.
- Regola questi tre specchi per correggere gli astigmatismo nella trave. Il risultato dovrebbe essere un punto focale quasi limitato dalla diffrazione.
- Blocca il raggio laser e riporta il bersaglio al centro del microscopio. Convalidare la sua posizione utilizzando il microscopio e la lettura del sensore di gamma.
- Spostare il microscopio in una posizione in cui sarà tenuto al sicuro dalla luce laser e dai detriti.
3. Sequenza di irradiazione e posizionamento automatico del bersaglio
- Implementare un feedback a circuito chiuso tra il manipolatore dell'asse focale del bersaglio e la lettura del sensore di spostamento utilizzando il software. Utilizzare il valore registrato del passaggio 2.2 del protocollo come setpoint. La sequenza di controlliPID 20 principale, preparata con LabView, è illustrata nella figura 5.
- Una volta che il posizionamento a circuito chiuso ha raggiunto la distanza di tolleranza desiderata dal setpoint, irradiare il bersaglio con un singolo impulso laser ad alta potenza.
- Traduci l'IP usando l'avanzamento meccanico in una nuova posizione.
- Ripetere la sequenza di irradiazione con il bersaglio successivo messo a fuoco dal software.
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Risultati
Questo sistema di consegna target è stato utilizzato per accelerare gli ioni dal lato posteriore di fogli d'oro spessi 600 nm. Quando irradiati con un'intensità laser normalizzatadi 0 = 5,6, questi ioni sono stati accelerati dal meccanismo di accelerazione della toere normale bersaglio (TNSA)21. In TNSA, la luce a bassa intensità che precedeva l'impulso laser principale ionizzava la superficie anteriore del foglio bersaglio. La forza ponderomotiva esercitata dall'impulso laser principal...
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Discussione
Con alcune variazioni, il processo di fabbricazione target descritto in questo protocollo è comune (ad esempio, Zaffino et al.23). Qui, un passo unico che è fondamentale per il funzionamento del posizionamento automatico è l'aggiunta di sgrossatura su scala nanometrica in aree a forma di anello sul retro del wafer (passo 1.2.3). Lo scopo di questo passaggio è quello di aumentare la dispersione diffusa dell'incidente luminoso sul wafer in quelle aree. Il sensore di gamma brilla un raggio laser a ba...
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato supportato dalla Israel Science Foundation, dalla sovvenzione n. 1135/15 e dallo Zuckerman STEM Leadership Program, Israele, che sono grati. Riconosciamo anche il sostegno della Fondazione Pazy, della sovvenzione israeliana #27707241 e della sovvenzione NSF-BSF n. 01025495. Gli autori vorrebbero gentilmente riconoscere il Tel Aviv University Center for Nanoscience and Nanotechnolog
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 76,2 x 127 mm EFL 90° Oro Protetto 100Å Specchio parabolico fuori asse | ottica Edmund | 35-535 | |
| MicroTrak 3 LTS 120-20 | MTI Instruments | ||
| Specchi dielettrici ultraveloci ad alta potenza per | Thorlabs |
Riferimenti
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Ristampe e permessi
Errata corrige
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
