超短レーザーパルスにより誘起された初期プラズマの進化の解明

この実験の目的は、高い時間分解能および空間分解能を用いて、超短パルスレーザーによって誘起される初期プラズマの進化を調べることです。これは、1本の超短パルスレーザーをポンプ光とプローブ光に分割する光学系を構築することで実現されます。第二のステップとして。

ポンプパルスとプローブパルスを同期させ、光学遅延装置の遅延時間ゼロを設定します。次に、試料の上面を十分に平坦にし、かつプローブパルスと平行にするため、試料とステージの準備を行います。その後、焦点位置をターゲットのわずか上およびわずか下に設定してアブレーションを行います。

ポンプパルスがターゲットをアブレーションして初期プラズマを生成し、プローブパルスがプラズマ領域を伝搬して電子数密度の不均一性を検出します。最終的に、測定されたシャドウグラフに基づき、連続する遅延時間におけるプラズマの膨張が結果として示されます。また、計算結果を用いてアニメーションを作成し、プラズマの形成と進展を非常に高い解像度で視覚化します。

この手法は、焦点位置の影響や、レーザーアブレーションにおける初期プラズマの進展など、Outshotリード分野における重要な疑問を解決するのに役立ちます。この技術の意義は、超短パルスレーザーの開発と効果的な利用にまで及びます。なぜなら、超短レーザー照射期間中に初期プラズマにどれだけのエネルギーが吸収されるかを把握することで、さまざまな診断や材料加工においてプラズマ場の増幅に利用できるからです。ポンプ・プローブおよびシャドウグラフ測定用に構築された光学系には、レーザー出力の後に半波長板と偏光子が配置されており、これによりレーザーパルスエネルギーを調整します。

偏光子の後に配置されたビームスプリッターにより、レーザーパルスはポンプパルスとプローブパルスの2つのパルスに分割されます。4枚の反射ミラーと手動トランスレーションステージを用いて、ポンプパルス用の光学遅延装置を構築します。さらに4枚の反射ミラーにより、ポンプパルスをターゲット表面に垂直に到達するように導きます。

第2高調波発生器により、レーザーパルスの波長を800 nanometersから400 nanometersに変換します。次に、高調波セパレーターで800 nanometerパルスを透過させ、400 nanometerパルスを反射させます。続いてビームリデューサーを通過させます。

プローブ光用のもう一つの光学遅延デバイスです。パルスは4枚の反射鏡で構成され、一対の集光レンズを用いてプローブパルスのサイズと収束を調整します。アイリスリングでプローブパルスの領域を調整し、プローブパルスがターゲット表面を水平に通過して、対物レンズの直前でポンプパルスと交差するようにします。その後、いくつかのフィルターを通り、プラズマ領域の画像が生成され、増幅電荷結合素子（ICCD）カメラで受信されます。

最後に、コンピューター、レーザー、ICCDカメラおよびそのコントローラーをBNCケーブルまたはUSBケーブルで接続し、カメラがプローブの画像をキャプチャするまで、カメラコントローラーの遅延時間を調整します。プローブパルスとカメラのポンプ・プローブ同期を効果的に同期させるため、ポンプパルスとプローブパルスの交点にビームスプリッターを配置し、2つのフォトダイオードでこれら2つのパルスを受光させます。これら2つのフォトダイオードは、ビームスプリッターから等距離に配置する必要があります。

次に、ビームスプリッターを取り除き、オシロスコープを用いてこれら2つのフォトダイオードの信号を受信します。ポンプパルスとプローブパルスのプロファイルがオシロスコープの画面上で互いに重なるまで、ポンプパルスビーム光路上のディレーステージを移動させます。同期後、オシロスコープの時間分解能により、20 picosecondsの精度が達成されます。

2つのフォトダイオードを取り除きます。ICCDスクリーン上で空気絶縁破壊領域がちょうど観察できるまで、ポンプパルスビーム光路上のディレーステージを調整します。均一な背景ではなく、空気絶縁破壊の形成が検出できる時間をディレイタイムゼロと定義します。

この手法の重要な点は、ターゲットがプラズマ画像のいかなる部分も遮らないようにすることです。これは、サンプルの上面の高い平坦度を確保し、かつサンプルの上面をプローブの走行方向と平行にするよう、サンプルとステージを準備することで達成できます。まず、ラボジャッキと2つの手動リニアステージを設置して、ステージの準備を開始します。

3自由度ステージ、ユーザーダイヤルインジケーター、および高精度シムを用いて、サンプルを順に移動させます。ステージの高い平面度を確保するため、高さの差を25.4 mmあたり1 µm以内に調整してください。次に、フライス盤を使用して、厚さ0.8 mmの銅板から正方形のピースを切り出し、サンプルを準備します。研磨機を用いて、銅ピースの狭い側面を表面粗さが0.5 µm以下になるまで研磨してください。

研磨した狭い面を上にして、銅片を上部のマニュアルステージに固定します。ICCDカメラで位置を確認しながら、もう一方のマニュアルステージでターゲットを移動させ、ターゲットの下に高精度シム（SHI）を挿入して傾きを調整します。この工程をもう一方のマニュアルステージでも繰り返します。

最後に、高精度手動ステージを用いて集光レンズの位置を変化させながら、ターゲット上に12箇所の穴をあけます。最も小さな穴が形成された時の集光レンズの位置が集焦点となります。実際の測定は暗所で行ってください。

ただし、撮影のために、アブレーションを行う際に一部の光を使用しました。まず、集光レンズを焦点から約 50 microns の距離まで上げます。次に、画像をキャプチャするため、プローブパルス光路上の遅延ステージを 0.3 millimeters 間隔で移動させます。

10 psに達するまで2 psごとに、または、480 psに達するまで20 psごとに画像をキャプチャするために3 mmの間隔で、この操作を行います。再現性と精度を確保するため、このプロセスを数回繰り返します。最終ステップとして、焦点レンズを焦点から約50 µmの距離まで下げて、画像をキャプチャします。

ここでも、連続的な遅延時間における銅プラズマ膨張の結果得られたシャドウグラフ画像を示します。これらの画像は、焦点がターゲット表面のわずかに上およびわずかに下にある場合に対応しています。ここでは、焦点がターゲット表面のわずかに上およびわずかに下にある場合の、縦方向および径方向の膨張位置をプロットしています。

これら2つのケースにおける縦方向の膨張は、最初の100 picosecondsの間で大きく異なります。第1のケースでは、100 picoseconds以内の初期プラズマは、複数の層からなる1次元的な膨張構造を持っています。第2のケースでは、初期プラズマは2次元的な膨張構造を持ち、100 picosecondsの間でほとんど変化しません。しかし、その後の400 picosecondsにおける縦方向の膨張および径方向の膨張は、互いに似ています。ここでは、焦点がターゲット表面のわずか上にあるときの電子密度のシミュレーションを通じて、初期プラズマ進化のメカニズムを調査するためのシミュレーションモデルを使用します。

タイムゼロは、レーザーパルスのピークがターゲット表面に到達した時点として定義されます。同様のモデルを用いて、焦点がターゲット表面のわずかに下に位置する場合についても検討しています。シミュレーションによる初期のプラズマ進化プロセスは、測定結果とよく一致しています。

これら両方のケースにおいて、シミュレーションモデルを用いた第一のケースでは1 ps以内に初期プラズマが形成されることが予測されており、この初期プラズマは空気絶縁破壊領域と銅プラズマ領域を持つことがわかっています。第二のケースでは、空気の絶縁破壊はまず多光子電離によって引き起こされ、次いでアバランシェ電離が起こります。しかし、焦点がターゲット表面の下にあるため、独立した空気絶縁破壊領域は形成されません。

その代わりに、銅プラズマ前面付近で空気の電離が起こります。これは、銅ターゲットから放出された自由電子による衝突電離が原因です。この手法により、超短パルスレーザー分野の研究者が、アブレーションプロセスにおける初期のプラズマ進化を探索する道が開かれました。このビデオを視聴することで、プラズマ測定のためのシャドウグラフの使用方法について十分に理解できるはずです。