Artykuł metodologiczny

Badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultraszybkimi impulsami laserowymi

17K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/4033

⸱

2 lipca 2012

 ,  , 
1Mechanical Engineering, Purdue University

W tym artykule

Podsumowanie

Opisano eksperymentalną metodę badania wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultrakrótkimi impulsami laserowymi. Zastosowanie tej metody pozwala na uzyskanie wysokiej jakości obrazów wczesnej plazmy z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną. Do symulacji i wyjaśnienia mechanizmów powstawania wczesnej plazmy wykorzystano nowatorski zintegrowany model atomistyczny.

Streszczenie

Wczesna plazma powstaje w wyniku naświetlania celu laserem o wysokiej intensywności i następującej po tym jonizacji materiału celu. Jej dynamika odgrywa istotną rolę w oddziaływaniu laser-materiał, szczególnie w środowisku powietrznym1-11.

Wczesna ewolucja plazmy była rejestrowana za pomocą cieniowania metodą pompy i sondy1-3 oraz interferometrii1,4-7. Jednak badane ramy czasowe i zakresy parametrów laserowych są ograniczone. Na przykład bezpośrednie badania położenia frontu plazmy i gęstości liczbowej elektronów w czasie opóźnienia wynoszącym 100 picosekund (ps) względem szczytu impulsu laserowego są wciąż nieliczne, zwłaszcza dla impulsów ultraszybkich o czasie trwania około 100 femtosekund (fs) i niskiej gęstości mocy rzędu 1014 W/cm2. Plazma wczesna generowana w tych warunkach została zarejestrowana z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną dopiero niedawno12. Szczegółowa strategia konfiguracji i procedury tego precyzyjnego pomiaru zostaną przedstawione w niniejszym artykule. Podstawą pomiaru jest optyczne cieniowanie metodą pompy i sondy: jeden ultraszybki impuls laserowy zostaje rozdzielony na impuls pompy i impuls sondy, podczas gdy czas opóźnienia między nimi można regulować poprzez zmianę długości dróg wiązek. Impuls pompy abluje cel i generuje wczesną plazmę, a impuls sondy przechodzi przez obszar plazmy i wykrywa niejednorodność gęstości liczbowej elektronów. Dodatkowo, w celu zilustrowania formowania i ewolucji plazmy z bardzo wysoką rozdzielczością (0,04 ~ 1 ps), przygotowano animacje na podstawie wyników obliczeń z modelu symulacyjnego opisanego w ref. 12.

Zarówno metoda eksperymentalna, jak i metoda symulacyjna mogą zostać zastosowane do szerokiego zakresu ram czasowych i parametrów laserowych. Metody te mogą być wykorzystywane do badania wczesnej plazmy generowanej nie tylko z metali, ale również z półprzewodników i izolatorów.

Protokół

1. Konfiguracja układu optycznego (Rys. 1)

  1. Ustaw płytkę półfalową oraz polaryzator za wyjściem lasera, aby regulować energię impulsu laserowego.
  2. Ustaw dzielnik wiązki za polaryzatorem, aby podzielić impuls laserowy na dwa impulsy: impuls pompujący i impuls sondujący.
  3. Używając czterech luster odbijających oraz manualnej platformy translacyjnej, zbuduj urządzenie do opóźniania optycznego impulsu pompującego.
  4. Użyj kolejnych czterech luster odbijających, aby skierować impuls pompujący tak, by padał on pionowo na powierzchnię celu.
  5. Ustaw generator drugiej harmonicznej (SHG), aby zmienić długość fali impulsu laserowego z 800 nm na 400 nm.
  6. Użyj separatora harmonicznych, aby przepuścić impuls o długości 800 nm i odbić impuls o długości 400 nm.
  7. Ustaw reduktor wiązki oraz parę soczewek skupiających, aby dostosować rozmiar i zbieżność impulsu sondującego.
  8. Ustaw drugie urządzenie do opóźniania optycznego dla impulsu sondującego, zgodnie z opisem w kroku 1.3.
  9. Użyj przysłony irysowej, aby dostosować obszar impulsu sondującego i upewnić się, że impuls sondujący przechodzi poziomo przez powierzchnię celu i przecina się z impulsem pompującym.
  10. Ustaw dwa obiektywy oraz kilka filtrów, aby wygenerować obraz obszaru plazmy, który zostanie zarejestrowany przez kamerę z intensyfikowanym urządzeniem sprzężonych ładunków (ICCD).
  11. Połącz komputer, laser, kamerę ICCD oraz jej kontroler za pomocą kabli BNC lub kabli USB.
  12. Reguluj czas opóźnienia kontrolera kamery, aż kamera zarejestruje obraz impulsu sondującego. W ten sposób impuls sondujący i kamera zostaną zsynchronizowane.

2. Synchronizacja pompy i próby

  1. Umieść dzielnik wiązki na przecięciu się impulsu pompującego i impulsu badawczego, a następnie ustaw dwie fotodiody do odbierania tych dwóch impulsów. Obie fotodiody powinny znajdować się w tej samej odległości od dzielnika wiązki.
  2. Użyj oscyloskopu do odbioru sygnałów z obu fotodiod i przesuń blok opóźniający na drodze wiązki impulsu pompującego, aż profile impulsu pompującego i impulsu badawczego pokryją się na ekranie oscyloskopu. Dzięki rozdzielczości czasowej oscyloskopu uzyskano dokładność 20 ps.
  3. Usuń dzielnik wiązki oraz dwie fotodiody, zgodnie z opisem w kroku 2.1.
  4. Reguluj blok opóźniający na drodze wiązki impulsu pompującego, aż na ekranie ICCD zostanie zaobserwowany obszar przebicia powietrza. Moment, w którym zamiast jednorodnego tła można wykryć formowanie się przebicia powietrza, określa się jako czas opóźnienia zero.

3. Przygotowanie próbki i stolika

  1. Ustaw podnośnik laboratoryjny oraz dwa manualne stoły liniowe, aby umożliwić przesuwanie próbki w trzech stopniach swobody.
  2. Użyj czujnika zegarowego i podkładek wysokiej precyzji, aby uzyskać wysoką płaskość stołów. Różnica wysokości nie powinna przekraczać 1 μm na dystansie 25.4 mm.
  3. Wytnij z arkusza Cu o grubości 0.8 mm kwadratowy element (30 mm × 30 mm) za pomocą frezarki.
  4. Poleruj wąską krawędź (30 mm × 0.8 mm) elementu z Cu, aż chropowatość powierzchni spadnie poniżej 0.5 μm.
  5. Zamocuj element z Cu na górnym stole manualnym polerowaną wąską stroną do góry.
  6. Przesuwaj cel za pomocą jednego ze stołów manualnych zgodnie z opisem w kroku 3.1), monitorując jego pozycję za pomocą kamery ICCD, tak aby ewentualne odchylenie można było skorygować poprzez włożenie podkładek wysokiej precyzji pod cel.
  7. Powtórz krok 3.6 z drugim stołem manualnym.
  8. Wywierć kilkanaście otworów w celu, zmieniając pozycję soczewki ogniskującej za pomocą trzeciego manualnego stołu o wysokiej dokładności. Położenie punktu ogniskowania odpowiada pozycji soczewki ogniskującej, przy której wywiercono najmniejszy otwór.

4. Ablacja i pomiar

  1. Przesuń soczewkę ogniskującą w górę na odległość około 50 μm od punktu ogniskowania.
  2. Przesuwaj stolik opóźniający na drodze wiązki impulsu badającego w odstępach 0,3 mm, aby rejestrować obraz co 2 ps aż do 10 ps, lub w odstępach 3 mm, aby rejestrować obraz co 20 ps aż do 480 ps.
  3. Powtórz krok 4.2 kilka razy w celu zapewnienia powtarzalności i dokładności.
  4. Przesuń soczewkę ogniskującą w dół na odległość około 50 μm od punktu ogniskowania, a następnie powtórz krok 4.3.

5. Reprezentatywne wyniki

Pomiarowe obrazy cieniowe przedstawiono na Rys. 2 oraz Rys. 3, odpowiednio dla punktu ogniskowania znajdującego się nieco powyżej i poniżej powierzchni celu. Pozycje rozszerzania podłużnego i promieniowego naniesiono na Rys. 4 i Rys. 5. Rozszerzenia podłużne w obu przypadkach w ciągu pierwszych 100 ps znacząco się różnią; jednak ich rozszerzenia podłużne w kolejnych 400 ps oraz rozszerzenia promieniowe są podobne. W pierwszym przypadku wczesna plazma w czasie do 100 ps wykazuje jednowymiarową strukturę rozszerzania składającą się z wielu warstw. W drugim przypadku wczesna plazma posiada dwuwymiarową strukturę rozszerzania, która nie zmienia się znacząco w ciągu 100 ps.

Model symulacyjny12 jest wykorzystywany do badania mechanizmu wczesnej ewolucji plazmy. Moment zero definiuje się jako czas, w którym szczyt impulsu laserowego dociera do powierzchni tarczy. Symulowane procesy wczesnej ewolucji plazmy są zgodne z wynikami pomiarów dla obu tych przypadków, co przedstawiono odpowiednio na Rys. 6 oraz Rys. 7. W pierwszym przypadku model symulacyjny przewiduje również powstanie wczesnej plazmy w czasie poniżej 1 ps, co pokazano na Rys. 8. Stwierdzono, że wczesna plazma składa się z obszaru przebicia powietrza i obszaru plazmy Cu. Przebicie powietrza jest najpierw powodowane przez jonizację wielofotonową, a następnie przez jonizację lawinową. W drugim przypadku punkt ogniskowania znajduje się jednak poniżej powierzchni tarczy i nie powstaje oddzielny obszar przebicia powietrza. Zamiast tego jonizacja powietrza zachodzi w pobliżu czoła plazmy Cu i jest wywołana jonizacją zderzeniową na skutek wolnych elektronów emitowanych z tarczy Cu.

Schemat układu optycznego; ultraszybka spektroskopia laserowa; metoda pompa-sonda, lustra, soczewki, filtry.
Rycina 1. Schemat pomiaru cieniograficznego metodą pompa-sonda.

Schemat dynamiki ultraszybkiej przedstawiający propagację fali uderzeniowej na granicy miedź-powietrze w czasie od 16 do 450 ps.
Rysunek 2. Ekspansja plazmy Cu w kolejnych czasach opóźnienia z punktem ogniskowania nieco powyżej powierzchni. Długość fali lasera: 800 nm; czas trwania impulsu: 100 fs; gęstość mocy: 4.2 × 1014 W/cm2; tarcza: Cu.

Ultraszybka dynamika; absorpcja przejściowa; obrazy mikroskopii z rozdzielczością czasową; wzory wzbudzenia optycznego.
Rycina 3. Ekspansja plazmy Cu w kolejnych czasach opóźnienia z punktem ogniskowania nieco poniżej powierzchni. Długość fali lasera: 800 nm; czas trwania impulsu: 100 fs; gęstość mocy: 4.2 × 1014 W/cm2; cel: Cu.

Wykres absorpcji przejściowej, czas opóźnienia względem pozycji; analiza danych radialnych i podłużnych.
Rysunek 4. Pozycje podłużnej i radialnej ekspansji plazmy w kolejnych czasach opóźnienia przy punkcie ogniskowania znajdującym się nieco powyżej powierzchni. Długość fali laserowej: 800 nm; czas trwania impulsu: 100 fs; gęstość mocy: 4,2 × 1014 W/cm2; target: Cu.

Wykres absorpcji przejściowej; pozycje radialne i podłużne w funkcji czasu opóźnienia w pikosekundach.
Rysunek 5. Pozycje podłużnej i radialnej ekspansji plazmy w kolejnych czasach opóźnienia przy punkcie ogniskowania znajdującym się nieco poniżej powierzchni. Długość fali lasera: 800 nm; czas trwania impulsu: 100 fs; gęstość mocy: 4.2 × 1014 W/cm2; tarcza: Cu.

Rysunek 6. Animacja zmierzonej i obliczonej ekspansji plazmy w czasie opóźnienia 70 ps przy punkcie ogniskowania znajdującym się nieco powyżej powierzchni. Długość fali lasera: 800 nm; czas trwania impulsu: 100 fs; gęstość mocy: 4.2 × 1014 W/cm2; tarcza: Cu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację.

Rysunek 7. Animacja zmierzonego i obliczonego rozszerzania się plazmy w czasie opóźnienia 70 ps z punktem ogniskowania nieco poniżej powierzchni. Długość fali lasera: 800 nm; czas trwania impulsu: 100 fs; gęstość mocy: 4,2 × 1014 W/cm2; tarcza: Cu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację.

Rycina 8. Animacja zmierzonej i obliczonej ekspansji plazmy w czasie opóźnienia 1 ps przy punkcie ogniskowania znajdującym się nieco powyżej powierzchni. Długość fali lasera: 800 nm; czas trwania impulsu: 100 fs; gęstość mocy: 4,2 × 1014 W/cm2; tarcza: Cu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację.

Dyskusja

Metody pomiarowe i symulacyjne przedstawione w niniejszej pracy umożliwiają dokładniejsze badanie wczesnej dynamiki plazmy oraz lepsze zrozumienie mechanizmów jonizacji zarówno dla powietrza, jak i Cu. Wysokiej jakości struktury plazmy zostały zarejestrowane z rozdzielczością czasową 1 ps i rozdzielczością przestrzenną 1 μm. Pomiar ten charakteryzuje się również wysoką powtarzalnością. Krytycznym etapem procedury jest bardzo precyzyjne wyrównanie wiązki oraz przygotowanie powierzchni tarczy o wysokiej płaskości i niskiej chropowatości.

To podejście można zastosować do innych materiałów docelowych oraz różnych parametrów lasera. Jedynym ograniczeniem metody cieniowania typu pompa-sonda (pump-probe shadowgraph) jest zbyt niska zmiana gęstości liczbowej elektronów.

Oświadczenia

Brak zadeklarowanych konfliktów interesów.

Podziękowania

Autorzy pragną wyrazić wdzięczność za wsparcie finansowe udzielone na realizację niniejszego badania przez National Science Foundation (Grant No: CMMI-0653578, CBET-0853890).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
LaserSpectra-PhysicsSPTF-100F-1K-1P
Kamera ICCDPrinceton Instruments7467-0028
OscyloskopRigolDS1302CA
FotodiodaNewport818-BB30
Stół liniowyNewport433
Zegar pomiarowyMitutoyoID-C112E

Bibliografia

  1. Garnov, S. V., Malyutin, A. A., Tsarkova, O. G., Konov, V. I., Dausinger, F. Ultrafast laser-induced plasma diagnostics with time-spatial resolved shadow and interferometric techniques. Proc. SPIE. 4637, 31-42 (2002).
  2. Zhang, N., Zhu, X., Yang, J., Wang, X., Wang, W. Time-resolved shadowgraphs of material ejection in intense femtosecond laser ablation of aluminum. Phys. Rev. Lett. 99, 167602(2007).
  3. Li, J., Wang, X., Chen, Z., Clinite, R., Mao, S. S., Zhu, P., Sheng, Z., Zhang, J., Cao, J. Ultrafast electron beam imaging of femtosecond laser-induced plasma dynamics. J. Appl. Phys. 107, 083305(2010).
  4. Veysman, M. E., Agranat, M. B., Andreev, N. E., Ashitkov, S. I., Fortov, V. E., Khishchenko, K. V., Kostenko, O. F., Levashov, P. R., Ovchinnikov, A. V., Sitnikov, D. S. Femtosecond optical diagnostics and hydrodynamic simulation of Ag plasma created by laser irradiation of a solid target. J. Phys. B. 41, 125704(2008).
  5. Geindre, J. P., Audebert, P., Rousse, A., Falliés, F., Gauthier, J. C., Mysyrowicz, A., Santos, A. D., Hamoniaux, G., Antonetti, A. Frequency-domain interferometer for measuring the phase and amplitude of a femtosecond pulse probing a laser-produced plasma. Opt. Lett. 19, 1997-1999 (1994).
  6. Inogamov, N. A., Anisimov, S. I., Petrov, Y. uV., Khokhlov, V. A., Zhakhovskii, V. V., Nishihara, K., Agranat, M. B., Ashitkov, S. I., Komarov, P. S. Theoretical and experimental study of hydrodynamics of metal target irradiated by ultrashort laser pulse. Proc. SPIE. 7005, 70052F.1-70052F.10 (2008).
  7. Flacco, A., Guemnie-Tafo, A., Nuter, R., Veltcheva, M., Batani, D., Lefebvre, E., Malka, V. Characterization of a controlled plasma expansion in vacuum for laser driven ion acceleration. J. Appl. Phys. 104, 103304.1-103304.5 (2008).
  8. Mao, S. S., Mao, X., Greif, R., Russo, R. E. Simulation of a picosecond laser ablation plasma. Appl. Phys. Lett. 76, 3370-3372 (2000).
  9. Chen, Z., Mao, S. S. Femtosecond laser-induced electronic plasma at metal surface. Appl. Phys. Lett. 93, 051506.1-051506.3 (2008).
  10. Kononenko, T. V., Konov, V. I., Garnov, S. V., Danielius, R., Piskarskas, A., Tamoshauskas, G., Dausinger, F. Comparative study of the ablation of materials by femtosecond and pico- or nanosecond laser pulses. Quantum Electron. 29, 724-728 (1999).
  11. Dausinger, F., Hügel, H., Konov, V. Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications. Proc. SPIE. 5147, 106-115 (2003).
  12. Hu, W., Shin, Y. C., King, G. B. Early-stage plasma dynamics with air ionization during ultrashort laser ablation of metal. Phys. of Plasmas. 18, 093302.1-093302.12 (2011).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Shadowgrafia typu pompa sondaurz dzenie do op niania optycznegog sto elektronowapo o enie frontu plazmyobrazowanie shadowgraficznedetekcja kamer ICCDsynchronizacja dzielnika wi zkiprzygotowanie powierzchni pr bki

Powiązane artykuły