Indagine su Evolution Plasma precoce indotta da impulsi laser ultracorti

Lo scopo di questo esperimento è esaminare l'evoluzione iniziale del plasma indotta da impulsi laser ultrabrevi con elevate risoluzioni temporali e spaziali. Questo viene ottenuto configurando un sistema ottico in cui un impulso laser ultrabreve viene suddiviso in un impulso di pompaggio e un impulso sonda. Come secondo passaggio.

L'impulso pompa e l'impulso sonda sono sincronizzati, fornendo il tempo di ritardo zero per il dispositivo di ritardo ottico. Quindi si preparano il campione e la piastra per ottenere un'elevata planarità della superficie superiore del campione e per rendere tale superficie parallela all'impulso sonda. Successivamente si esegue l'ablazione con i punti focali leggermente al di sopra e leggermente al di sotto del bersaglio.

L'impulso di pompaggio ablate il bersaglio e genera il plasma iniziale, mentre l'impulso di propagazione attraversa la regione del plasma e rileva la non uniformità della densità numerica degli elettroni. In definitiva, i risultati mostrano l'espansione del plasma a intervalli di ritardo successivi, basata sull'immagine all'ombra misurata. Vengono inoltre generate animazioni utilizzando i risultati calcolati per illustrare la formazione e l'evoluzione del plasma con una risoluzione molto elevata.

Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo del lead Outshot, come l'effetto della posizione del punto focale e dell'evoluzione precoce del plasma sull'ablazione laser. Le implicazioni di questa tecnica si estendono allo sviluppo e all'uso efficace di ledgers ultra shore, poiché consente di determinare quanto energia viene assorbita dal plasma iniziale durante la durata del laser ultra e può essere utilizzata per l'amplificazione del campo plasma in varie applicazioni di diagnostica e lavorazione dei materiali. Il sistema ottico configurato per la misurazione del graft ombra con tecnica pump-probe è dotato di una piastra a mezza onda e di un polarizzatore subito dopo l'uscita del laser, per regolare l'energia dell'impulso laser.

Dopo il polarizzatore, un divisore di fascio suddivide l'impulso laser in due impulsi: impulso pump e impulso probe. Quattro specchi riflettenti e una fase di traslazione manuale vengono utilizzati per costruire un dispositivo ottico di ritardo per l'impulso pump. Altri quattro specchi riflettenti indirizzano l'impulso pump in modo che raggiunga verticalmente la superficie del bersaglio.

Un generatore di armonica secondaria trasforma la lunghezza d'onda dell'impulso laser da 800 nanometri a 400 nanometri. Successivamente, un separatore di armoniche trasmette l'impulso a 800 nanometri e riflette l'impulso a 400 nanometri. Segue un riduttore di fascio.

Un altro dispositivo ottico di ritardo per il fascio sonda. L'impulso viene costruito utilizzando quattro specchi riflettenti e una coppia di lenti focalizzanti che regolano le dimensioni e la convergenza dell'impulso sonda. Un diaframma regola l'area dell'impulso sonda e garantisce che l'impulso sonda attraversi orizzontalmente la superficie del bersaglio e intersechi l'impulso pompa vicino a obiettivi e a diversi filtri, per generare l'immagine della regione al plasma che verrà acquisita dalla telecamera CCD intensificata.

Infine, il computer, il laser, la telecamera ICCD e il relativo controller vengono collegati utilizzando cavi BNC o cavi USB; regolare il tempo di ritardo del controller della telecamera finché la telecamera non acquisisce un'immagine del fascio sonda. La sincronizzazione efficace tra l'impulso di pompaggio e l'impulso sonda e la sincronizzazione della telecamera viene eseguita mediante un divisore di fascio situato all'incrocio tra l'impulso di pompaggio e l'impulso sonda, e due fotodiodi ricevono i due impulsi. Questi due fotodiodi devono trovarsi alla stessa distanza dal divisore di fascio.

Quindi il divisore di fascio viene rimosso utilizzando l'oscilloscopio per ricevere i segnali di questi due fotodiodi. Spostare la fase di ritardo sul percorso del fascio dell'impulso di pompaggio fino a quando i profili dell'impulso di pompaggio e dell'impulso sonda si sovrappongono sullo schermo dell'oscilloscopio. Viene raggiunta un'accuratezza di 20 picosecondi in base alla risoluzione temporale dell'oscilloscopio dopo la sincronizzazione.

Rimuovere i due fotodiodi. Regolare lo stadio di ritardo sul percorso del fascio del pump fino a quando la regione di rottura dielettrica dell'aria può essere appena osservata sullo schermo ICCD. L'istante in cui la formazione della rottura dielettrica dell'aria può essere rilevata al posto di uno sfondo uniforme viene determinato come tempo di ritardo zero.

Una parte fondamentale di questa tecnica consiste nell'assicurarsi che il bersaglio non ostruisca alcuna porzione dell'immagine del plasma. Questo può essere ottenuto preparando il campione e la piattaforma in modo da raggiungere un'elevata planarità della superficie superiore del campione e rendendo tale superficie parallela al percorso della sonda. Iniziare la preparazione della piattaforma configurando un sollevatore idraulico da laboratorio e due piattaforme lineari manuali.

Procedere muovendo il campione con tre gradi di libertà, utilizzando un indicatore con quadrante regolabile dall'utente e spessori di alta precisione. Per ottenere un'elevata planarità delle fasi, la differenza di altezza deve essere compresa tra un micrometro ogni 25,4 millimetri. Successivamente, utilizzare una fresatrice per preparare un campione, tagliando un pezzo quadrato da un foglio di rame con uno spessore di 0,8 millimetri. Usare una lucidatrice per levigare un lato stretto del pezzo di rame fino a quando la rugosità superficiale sia inferiore a 0,5 micrometri.

Fissare il pezzo di rame sullo stadio manuale superiore con il lato stretto lucidato rivolto verso l'alto. Spostare l'obiettivo di uno stadio manuale monitorandone la posizione tramite la telecamera ICCD, in modo da poter correggere qualsiasi inclinazione inserendo spessori di alta precisione (SHI) al di sotto dell'obiettivo. Ripetere questo procedimento con l'altro stadio manuale.

Infine, praticare una dozzina di fori sul bersaglio variando la posizione della lente focale mediante uno stadio manuale di alta precisione. La posizione del punto focale corrisponde alla posizione della lente focale in cui viene realizzato il foro più piccolo. La misurazione effettiva deve essere eseguita al buio.

Tuttavia, a fini di ripresa, è stata utilizzata una certa quantità di luce per eseguire l'ablazione. Innanzitutto, spostare la lente focale verso l'alto a una distanza di circa 50 micrometri dal punto focale. Successivamente, spostare lo stadio di ritardo sul percorso del fascio del propulse con un intervallo di 0,3 millimetri per acquisire l'immagine.

Ogni due picosecondi fino a raggiungere 10 picosecondi, oppure con un intervallo di tre millimetri per acquisire l'immagine ogni 20 picosecondi fino a raggiungere 480 picosecondi. Ripetere questo processo più volte per garantire ripetibilità e accuratezza. Come passaggio finale, spostare la lente focale verso il basso a una distanza di circa 50 micron dal punto focale e acquisire le immagini.

Anche in questo caso, vengono mostrate le immagini della grafia d'ombra misurate risultanti dall'espansione del plasma di rame a tempi di ritardo successivi. Queste immagini corrispondono al punto focale posizionato leggermente al di sopra e leggermente al di sotto della superficie del bersaglio. Qui, le posizioni di espansione longitudinale e radiale sono riportate per quando il punto focale si trova leggermente al di sopra e leggermente al di sotto della superficie del bersaglio.

Le espansioni longitudinali in questi due casi sono significativamente diverse nei primi 100 picosecondi: nel primo caso, il plasma iniziale entro i 100 picosecondi presenta una struttura di espansione monodimensionale costituita da strati multipli; nel secondo caso, il plasma iniziale ha una struttura di espansione bidimensionale che non cambia molto entro i 100 picosecondi. Tuttavia, le espansioni longitudinali nei successivi 400 picosecondi e le espansioni radiali sono simili. In questo caso, un modello di simulazione viene utilizzato per studiare il meccanismo dell'evoluzione del plasma iniziale attraverso la densità elettronica simulata quando il punto focale si trova leggermente al di sopra della superficie del bersaglio.

Il tempo zero è definito come l'istante in cui il picco dell'impulso laser raggiunge la superficie del bersaglio. Lo stesso modello viene utilizzato per esplorare il caso in cui il punto focale si trovi leggermente al di sotto della superficie del bersaglio. I processi simulati di evoluzione precoce del plasma sono in buon accordo con i risultati misurati.

In entrambi questi casi, la formazione del plasma iniziale entro un picosecondo è prevista anche per il primo caso utilizzando il modello di simulazione; si osserva che il plasma iniziale presenta una regione di rottura dielettrica dell'aria e una regione di plasma di rame. La rottura dielettrica dell'aria è inizialmente causata dall'ionizzazione a più fotoni e successivamente seguita dall'ionizzazione a valanga nel secondo caso. Tuttavia, il punto focale si trova al di sotto della superficie del bersaglio e non si forma una regione distinta di rottura dielettrica dell'aria.

Invece, l'ionizzazione dell'aria avviene vicino al fronte del plasma di rame ed è causata da ionizzazione per impatto dovuta agli elettroni liberi espulsi dal bersaglio di rame dopo il suo sviluppo. Questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo del laser ad impulsi brevi per esplorare l'evoluzione iniziale del plasma nel processo di ablazione. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come utilizzare la tecnica dello shadowgraph per misurare i plasmi.