초기 플라즈마 진화의 조사는 극단으로 짧은 레이저 펄스에 의해 유도된

본 실험의 목적은 높은 시간 및 공간 분해능으로 초단파 레이저 펄스에 의해 유도된 초기 플라스마 진화를 조사하는 것입니다. 이는 하나의 초단파 레이저 펄스를 펌프 펄스와 프로브 펄스로 분리하는 광학 시스템을 구축함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계로서.

펌프 펄스와 프로브 펄스를 동기화하여 광학 지연 장치의 지연 시간 0점을 설정합니다. 그다음 시료 상단 표면의 평탄도를 높이고 시료 상단 표면이 프로브 펄스와 평행하도록 시료와 스테이지를 준비합니다. 이어서 초점 위치를 타겟의 약간 위쪽과 약간 아래쪽으로 설정하여 어블레이션을 수행합니다.

펌프 펄스는 타겟을 어블레이션하여 초기 플라즈마를 생성하고, 프로브 펄스는 플라즈마 영역을 통과하며 전자 수 밀도의 불균일성을 감지합니다. 최종적으로, 측정된 섀도그래프 이미지를 통해 연속적인 지연 시간에 따른 플라즈마 팽창 결과가 나타납니다. 또한, 계산된 결과를 사용하여 플라즈마의 형성 및 진화 과정을 매우 높은 해상도로 보여주는 애니메이션이 생성됩니다.

이 방법은 초점 위치의 영향 및 초기 플라즈마 진화가 레이저 어블레이션에 미치는 영향과 같은 Outshot lead 분야의 핵심 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 함의는 초단파 펄스 레이저의 개발 및 효과적인 사용으로 확장되는데, 이는 초단파 레이저 지속 시간 동안 초기 플라즈마에 의해 얼마나 많은 에너지가 흡수되는지, 그리고 이것이 다양한 진단 및 재료 가공 작업을 위한 플라즈마 장의 증폭에 어떻게 사용될 수 있는지를 보여주기 때문입니다. 펌프-프로브(pump-probe) 및 섀도그래프(shadowgraph) 측정을 위해 구성된 광학 시스템은 레이저 펄스 에너지를 조절하기 위해 레이저 출력단 뒤에 반파장판(half wave plate)과 편광판(polarizer)이 배치되어 있습니다.

편광자 뒤의 빔 분할기가 레이저 펄스를 펌프 펄스와 프로브 펄스의 두 펄스로 분할합니다. 4개의 반사 거울과 수동 이동 스테이지를 사용하여 펌프 펄스용 광학 지연 장치를 구성합니다. 또 다른 4개의 반사 거울이 펌프 펄스를 유도하여 타겟 표면에 수직으로 도달하게 합니다.

제2 고조파 발생기를 통해 레이저 펄스의 파장을 800 nanometers에서 400 nanometers로 변환합니다. 그다음 고조파 분리기가 800 nanometer 펄스는 투과시키고 400 nanometer 펄스는 반사합니다. 이어서 빔 리듀서가 배치됩니다.

프로브를 위한 또 다른 광학 지연 장치입니다. 펄스는 4개의 반사 거울을 사용하여 구성되며, 한 쌍의 초점 렌즈로 프로브 펄스의 크기와 수렴도를 조절합니다. 아이리스 링을 통해 프로브 펄스의 영역을 조절하며, 프로브 펄스가 타겟 표면을 수평으로 통과하여 대물렌즈 및 여러 필터 옆에서 펌프 펄스와 교차하게 함으로써, 강화 전하결합소자(intensified charged coupled device) 카메라로 수신될 플라스마 영역의 이미지를 생성합니다.

마지막으로 컴퓨터, 레이저, ICCD 카메라 및 컨트롤러를 BNC 케이블 또는 USB 케이블로 연결하고, 카메라가 프로브의 이미지를 캡처할 때까지 카메라 컨트롤러의 지연 시간을 조정합니다. 프로브 펄스와 카메라 펌프 프로브 동기화를 효과적으로 일치시키기 위해, 펌프 펄스와 프로브 펄스의 교차점에 빔 스플리터를 배치하고 두 개의 포토다이오드로 두 펄스를 수신하여 동기화를 수행합니다. 이 두 포토다이오드는 빔 스플리터로부터 동일한 거리에 위치해야 합니다.

그 후, 두 포토다이오드의 신호를 수신하기 위해 오실로스코프를 사용하여 빔 분할기를 제거합니다. 펌프 펄스와 프로브 펄스의 프로파일이 오실로스코프 화면에서 서로 겹칠 때까지 펌프 펄스 빔 경로에 있는 지연 스테이지를 이동시킵니다. 동기화 후 오실로스코프의 시간 분해능에 따라 20 picoseconds의 정확도가 달성됩니다.

두 개의 포토다이오드를 제거합니다. ICCD 화면에서 공기 절연 파괴 영역이 막 관찰되기 시작할 때까지 펌프 펄스 빔 경로의 지연 스테이지를 조정합니다. 균일한 배경 대신 공기 절연 파괴의 형성이 검출되는 시점을 지연 시간 0으로 결정합니다.

이 기술의 핵심은 타겟이 플라즈마 이미지의 어느 부분도 가리지 않도록 하는 것입니다. 이는 시료 상단 표면의 평탄도를 높게 유지하고, 시료 상단 표면이 프로브 경로와 평행하도록 시료와 스테이지를 준비함으로써 달성할 수 있습니다. 랩 잭과 두 개의 수동 리니어 스테이지를 설치하여 스테이지 준비를 시작하십시오.

3자유도 이동 장치, 사용자 다이얼 인디케이터 및 고정밀 심(shim)을 순서대로 사용하여 샘플을 이동시킵니다. 스테이지의 높은 평탄도를 달성하기 위해, 높이 차이는 25.4 mm 거리당 1 µm 이내여야 합니다. 다음으로, 밀링 머신을 사용하여 두께 0.8 mm의 구리 판에서 정사각형 조각을 절단하여 샘플을 준비합니다. 연마기를 사용하여 구리 조각의 좁은 면의 표면 거칠기가 0.5 µm 미만이 될 때까지 연마합니다.

광택 처리된 좁은 면이 위를 향하도록 하여 구리 조각을 상단 수동 스테이지에 고정합니다. ICCD 카메라를 통해 위치를 모니터링하면서 타겟을 하나의 수동 스테이지로 이동시켜, 타겟 아래에 고정밀 SHI를 삽입하여 기울기를 조정할 수 있도록 합니다. 다른 수동 스테이지에 대해서도 이 과정을 반복합니다.

마지막으로, 고정밀 수동 스테이지를 사용하여 초점 렌즈의 위치를 변경하면서 타겟에 12개의 구멍을 뚫습니다. 초점 위치는 가장 작은 구멍이 뚫린 초점 렌즈의 위치에 해당합니다. 실제 측정은 암실에서 수행해야 합니다.

하지만 촬영을 위해 절제(ablation)를 수행하는 데 약간의 빛이 사용되었습니다. 먼저, 초점 렌즈를 초점에서 약 50 microns 떨어진 거리까지 위로 이동시킵니다. 그런 다음 이미지를 캡처하기 위해 프로브 펄스 빔 경로에 있는 지연 스테이지를 0.3 millimeters 간격으로 이동시킵니다.

10 ps에 도달할 때까지 2 ps마다, 또는 480 ps에 도달할 때까지 20 ps마다 이미지를 캡처하기 위해 3 mm 간격으로 진행합니다. 재현성과 정확성을 위해 이 과정을 여러 번 반복합니다. 마지막 단계로, 초점 렌즈를 초점에서 약 50 µm 떨어진 거리까지 내린 후 이미지를 캡처합니다.

다시 한번, 연속적인 지연 시간에서 구리 플라즈마 팽창으로 인해 생성된 측정 섀도그래프 이미지들을 보여줍니다. 이 이미지들은 초점이 타겟 표면보다 약간 위쪽 또는 약간 아래쪽에 위치했을 때에 해당합니다. 여기에서는 초점이 타겟 표면의 약간 위쪽과 약간 아래쪽에 있을 때의 종방향 및 반경방향 팽창 위치를 도식화하였습니다.

이 두 사례의 종방향 팽창은 초기 100 ps 동안 상당히 다르게 나타납니다. 첫 번째 사례의 경우, 100 ps 이내의 초기 플라즈마는 여러 층으로 구성된 1차원 팽창 구조를 가집니다. 두 번째 사례의 경우, 초기 플라즈마는 100 ps 이내에 크게 변하지 않는 2차원 팽창 구조를 보입니다. 그러나 이후 400 ps 동안의 종방향 팽창과 반경 방향 팽창은 서로 유사합니다. 본 연구에서는 초점이 타겟 표면보다 약간 위에 위치할 때의 시뮬레이션 전자 밀도를 통해 초기 플라즈마 진화 메커니즘을 조사하기 위해 시뮬레이션 모델을 사용합니다.

시간 0은 레이저 펄스의 피크가 타겟 표면에 도달하는 시점으로 정의됩니다. 동일한 모델을 사용하여 초점이 타겟 표면보다 약간 아래에 있을 때의 상황을 탐색합니다. 시뮬레이션된 초기 플라즈마 진화 과정은 측정 결과와 잘 일치합니다.

이 두 가지 경우 모두에서, 시뮬레이션 모델을 사용한 첫 번째 사례에서는 1 ps 이내에 초기 플라즈마가 형성되는 것으로 예측되었으며, 이 초기 플라즈마는 공기 절연 파괴 영역과 구리 플라즈마 영역을 갖는 것으로 나타났습니다. 두 번째 사례의 경우, 공기 절연 파괴는 먼저 다광자 이온화에 의해 발생한 후 전자 사태 이온화가 뒤따랐습니다. 하지만 초점이 타겟 표면 아래에 위치하여 별도의 공기 절연 파괴 영역은 형성되지 않았습니다.

대신에, 구리 플라즈마 전면 근처에서 공기 이온화가 발생하며, 이는 구리 타겟의 전개 후 방출된 자유 전자에 의한 충격 이온화로 인해 발생합니다. 이 기술은 아트 샷 레이저 분야의 연구자들이 어블레이션 과정에서의 초기 플라즈마 진화를 탐구할 수 있는 길을 열어주었습니다. 이 영상을 시청하고 나면, 플라즈마 측정을 위해 섀도그래프를 사용하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.