Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments

Yonatan Gershuni; Michal Elkind; Dolev Roitman; Itamar Cohen; Aviad Tsabary; Deep Sarkar; Ishay Pomerantz

doi:10.3791/61056

Summary

Przedstawiono protokół automatycznego naświetlania cienkich złotych folii impulsami laserowymi o wysokiej intensywności. Protokół zawiera szczegółowy opis procesu wytwarzania tarcz do mikroobróbki oraz szczegółowy przewodnik dotyczący sposobu ustawiania celów w ognisku lasera z częstotliwością 0,2 Hz.

Abstract

Opisana jest eksperymentalna procedura, która umożliwia naświetlanie laserowe mikrofabrykowanych celów za pomocą wysokiej mocy. Cele są doprowadzane do ogniska laserowego przez zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego, która działa między manipulatorem celu a czujnikiem odległości. Docelowy proces produkcji jest szczegółowo wyjaśniony. Podano reprezentatywne wyniki wiązek protonów na poziomie MeV generowanych przez naświetlanie złotymi foliami o grubości 600 nm z częstotliwością 0,2 Hz. Metoda ta jest porównywana z innymi systemami docelowymi i omówiono perspektywy zwiększenia częstotliwości strzału do ponad 10 Hz.

Introduction

Intensywne naświetlanie laserowe stałych celów generuje wiele form promieniowania. Jednym z nich jest emisja energetycznych jonów o energiach na poziomie megaelektronowoltów (MeV)¹. Kompaktowe źródło jonów MeV ma potencjał do wielu zastosowań, takich jak szybki zapłon protonów², radiografia protonów³, radioterapia jonowa⁴ i generowanie neutronów⁵.

Głównym wyzwaniem w praktycznym akcelerowaniu laserowo-jonowym jest możliwość precyzyjnego ustawiania celów w skali mikrometrowej w ognisku lasera z dużą szybkością. Aby sprostać temu wyzwaniu, opracowano niewiele technologii dostarczania docelowego. Najczęściej spotykane są systemy docelowe oparte na grubych taśmach w skali mikrometrycznej. Cele te są łatwe do uzupełnienia i można je łatwo ustawić w ognisku lasera. Nośnik taśmowy został utworzony przy użyciu taśm VHS⁶, copper⁷, Mylar i Kapton⁸. System napędu taśmowego zazwyczaj składa się z dwóch zmotoryzowanych szpul do nawijania i odwijania oraz dwóch pionowych pinów umieszczonych między nimi, aby utrzymać taśmę w odpowiedniej pozycji⁹. Dokładność pozycjonowania powierzchni taśmy jest zwykle mniejsza niż zakres Rayleigha wiązki skupiającej. Innym rodzajem uzupełnianego celu laserowego jest liquid sheets¹⁰. Cele te są szybko dostarczane do obszaru interakcji i wprowadzają bardzo małą ilość zanieczyszczeń. System ten składa się z wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej zasilanej w sposób ciągły cieczą ze zbiornika. Niedawno stworzono nowatorskie kriogeniczne dysze wodoru¹¹ jako sposób na dostarczanie ultracienkich, nisko odłamkowych i nadających się do uzupełnienia celów.

Główną wadą wszystkich tych systemów docelowych jest ograniczony wybór materiałów docelowych i geometrii, które są podyktowane wymaganiami mechanicznymi, takimi jak wytrzymałość, lepkość i temperatura topnienia.

Tutaj opisany jest system zdolny do doprowadzenia mikroobrabianych celów do ogniska lasera o wysokiej intensywności z częstotliwością 0,2 Hz. Mikroobróbka oferuje szeroki wybór materiałów docelowych w różnych geometriach¹². Pozycjonowanie celu odbywa się za pomocą sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej między komercyjnym czujnikiem przemieszczenia a manipulatorem z napędem silnikowym.

System dostarczania celu został przetestowany przy użyciu systemu laserowego o wysokim kontraście i mocy 20 TW, który dostarcza impulsy laserowe o długości 25 fs z prędkością 500 mJ na cel. Przegląd architektury systemu laserowego znajduje się w Porat et al.¹³, a opis techniczny systemu docelowego znajduje się w Gershuni et al.¹⁴. W artykule przedstawiono szczegółową metodę wytwarzania i stosowania tego typu systemu oraz przedstawiono reprezentatywne wyniki akceleracji laserowo-jonowej z ultracienkich tarcz ze złotej folii.

Spektrometr jonów Thomson Parabola (TPIS)¹⁵^,¹⁶ pokazany w Rysunek 1 został użyty do zarejestrowania widm energetycznych emitowanych jonów. W TPIS przyspieszone jony przechodzą przez równoległe pola elektryczne i magnetyczne, co umieszcza je na trajektoriach parabolicznych w płaszczyźnie ogniskowej. Krzywizna paraboliczna zależy od stosunku ładunku do masy jonu, a położenie wzdłuż trajektorii zależy od energii jonu.

Płyta obrazowa BAS-TR (IP)¹⁷ umieszczona w płaszczyźnie ogniskowej TPIS rejestruje uderzające jony. IP jest podłączony do mechanicznego przepustu, aby umożliwić translację na nowy obszar przed każdym ujęciem.

Protocol

1. Produkcja docelowa

UWAGA: Rysunek 2 i Rysunek 3 ilustruje proces produkcji wolnostojących złotych folii.

Tylna strona
1. Użyj płytki krzemowej o grubości 250 μm i średnicy 100 mm o wysokim naprężeniu w formacji krystalicznej <100>, pokrytej z obu stron azotkiem krzemu.
2. Oczyść wafel za pomocą acetonu, a następnie izopropanolu i osusz azotem. Następnie odwiruj warstwę HMDS, aby utworzyć warstwę kleju, wykonując czynności opisane w Tabeli 1.
3. Pokryj płytkę warstwą fotorezystu AZ1518, postępując zgodnie z krokami opisanymi w Tabeli 2.
4. Piecz wafelek w temperaturze 100°C przez 1 minutę, a następnie pozwól mu ostygnąć.
5. Fotolitografia Kwadratowe otwory o wymiarach 1 000 μm x 1 000 μm w próżni, naświetlane płytkę w 1 cyklu trwającym od 4 do 7 sekund lampie UV o długości 400 nm. Płytka jest poddawana działaniu całkowitej fluencji 40 J/^cm2. Użyj wywoływacza AZ726K, aby odsłonić azotek krzemu i kąpieli w odwodnionej wodzie, aby zatrzymać proces.
6. Użyj reaktywnego wytrawiacza jonowego (RIE), aby usunąć azotek krzemu w miejscu kwadratów.
7. Użyj kąpieli N-metylo-2-pirolidon (NMP) przez 20 minut, aby usunąć resztkowy rezystancję i fotorezystancję, tworząc replikę maski na warstwie azotku krzemu. Umyj wafel pod świeżą wodą i osusz azotem.
8. Zanurz wafel w roztworze wodorotlenku potasu o temperaturze 30% i temperaturze 90 °C, aby wytrawić krzem przez kwadratowe otwory. Zanurz wafel na 40 minut na każde 50 μm krzemu, który ma zostać wytrawiony. Ponieważ szybkość wytrawiania w płaszczyźnie <100> jest znacznie wyższa niż w innych, wodorotlenek potasu dociera do dolnej warstwy azotku krzemu przez masę krzemu przed wytrawieniem jakiejkolwiek znacznej głębokości w masce z azotku krzemu.
Przednia strona
1. Na przedniej stronie powtórz kroki 1.1.1–1.1.6 z maską w kształcie trzech koncentrycznych pierścieni.
2. Użyj RIE, aby usunąć azotek krzemu w miejscu, w którym znajdują się pierścienie, a następnie kąpiel NMP, aby usunąć resztki rezystu i fotorezystu.
3. Na koniec, aby zmatowić pierścienie krzemowe, zanurz wafel w kwasie azotowym i w roztworze 0,02 M azotanu srebra i 4 M fluorowodoru.
4. Na wytrawionej stronie płytki użyj maszyny do fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD)¹⁸, aby napylić warstwę kilkuset nanometrów złota na cienką warstwę kleju tytanowego, niklu lub chromu o grubości ~10 nm. Napylona warstwa złota stanie się wolnostojącym celem membrany.

2. Wyrównanie

UWAGA: Rysunek 4 pokazuje ustawienie docelowego napromieniowania.

Umieść pierwszy arbitralnie wybrany cel w polu widzenia pod mikroskopem o powiększeniu 100x.
Skieruj triangulacyjny czujnik odległości (np. MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)¹⁹ na chropowaty pierścień znajdujący się najbliżej celu i zapisz jego odczyt przemieszczenia.
UWAGA: Zastosowany model czujnika odległości nie jest przeznaczony do zastosowań w wysokiej próżni. Różne modele, takie jak MTI-2100 od tego samego dostawcy, są kompatybilne z aplikacjami o niskim poziomie odgazowania.
Pozostawiając mikroskop na miejscu, odsuń płytkę na znaną odległość, aby oczyścić ścieżkę wiązki.
Za pomocą dwóch składanych zwierciadeł i pozaosiowego zwierciadła parabolicznego (OAP) ustaw wiązkę o małej mocy w polu widzenia mikroskopu.
Dostosuj te trzy lustra, aby skorygować astygmatyzm w wiązce. Rezultatem powinien być punkt ogniskowy prawie ograniczony dyfrakcją.
Zablokuj wiązkę laserową i przywróć cel do ostrości mikroskopu. Sprawdź jego położenie za pomocą mikroskopu i odczytu czujnika odległości.
Ustaw mikroskop w pozycji, w której będzie chroniony przed światłem lasera i zanieczyszczeniami.

3. Sekwencja napromieniania i automatyczne pozycjonowanie celu

Zaimplementuj sprzężenie zwrotne w pętli zamkniętej między manipulatorem osi ogniskowej celu a odczytem czujnika przemieszczenia za pomocą oprogramowania. Jako wartość zadaną należy użyć zarejestrowanej wartości z kroku 2.2 protokołu. Główna sekwencja kontrolna PID²⁰, przygotowana za pomocą LabView, jest pokazana w Rysunek 5.
Gdy pozycjonowanie w pętli zamkniętej osiągnie żądaną odległość tolerancji od wartości zadanej, należy naświetlić cel pojedynczym impulsem laserowym o dużej mocy.
Przesuń IP za pomocą mechanicznego przepustu do nowej pozycji.
Powtórz sekwencję naświetlania z następnym obiektem, na którym oprogramowanie ustawia ostrość.

Representative Results

Ten system dostarczania został wykorzystany do przyspieszenia jonów z tylnej strony złotych folii o grubości 600 nm. Po napromieniowaniu znormalizowanym natężeniem lasera 0 = 5,6, jony te były przyspieszane przez mechanizm docelowego przyspieszenia osłonki normalnej (TNSA)21. W TNSA światło o mniejszym natężeniu, które poprzedzało główny impuls laserowy, jonizowało przednią powierzchnię folii tarczy. Siła ponderomotoryczna wywierana przez główny impuls laserowy przepychała gorące elektrony przez masę materii. Separacja ładunków na tylnej powierzchni, wywołana przez te elektrony22, stworzyła ekstremalny gradient elektrostatyczny, który przyspieszył zanieczyszczenia jonowe w kierunku docelowym - normalnym.

Szereg czasowy przemieszczenia celu wzdłuż osi ogniskowej jest pokazany w Rysunek 6. Wartości odnoszą się do nastawy pozycji ogniskowej. Zielone kropki wskazują, kiedy przemieszczenie celu mieściło się w zakresie tolerancji 1 μm od wartości zadanej; To właśnie wtedy oddano strzał laserowy.

Rysunek 7 pokazuje ślady TPIS z 14 kolejnych napromieniowań tarcz ze złotej folii o grubości 600 nm. Widmo energii pochodzące z tych śladów jest pokazane na Rysunek 8. Stabilność między szczytami maksymalnej energii protonów mieści się w granicach 10%.

Rysunek 1: Układ techniczny spektrometru paraboli jonowej Thomsona. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Szkic schematyczny docelowej płytki.
Na przedniej stronie 300 tarcz ze złotej folii uporządkowanych w trzech koncentrycznych pierścieniach (po lewej). Tył, na którym widoczne są chropowate pierścienie referencyjne umieszczone między miejscami folii docelowej (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Ilustracja procesu wytwarzania płytek półprzewodnikowych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Schematyczny układ (po lewej) i zdjęcie (po prawej) komory interakcyjnej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Pozycjonowanie celu Kod PID LabView (VI). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Przemieszczenie celu podczas sekwencji strzałów 20 celów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Ślady TPIS z 14 kolejnych zdjęć. Zilustrowano trajektorie jonów i promieniowania rentgenowskiego przechodzących przez TPIS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Widma energii jonów pochodzące z 14 śladów pokazanych na Rysunek 7. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: ślad TPIS zarejestrowany przy użyciu obrazowania scyntylatora CsI(TI) za pomocą przetwornika CCD o niskim zakresie dynamiki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

szt. szt. szt. szt. szt.

krok	ν [rps]	Rampa [RPS2]	Czas trwania [s]
1	500	500	10
cyfra arabska	4000	1000	Rozdział 45
3	0	1000	0

Tabela 1: Odporność na kroki płaszcza wirowego.

szt. szt. szt. szt. szt.

krok	ν [rps]	Rampa [RPS2]	Czas trwania [s]
1	500	500	10
cyfra arabska	4000	1000	Rozdział 45
3	0	1000	0

Tabela 2: Stopnie powłoki spinowej Photoresist

.

Discussion

Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Disclosures

Przedstawiono protokół automatycznego naświetlania cienkich złotych folii impulsami laserowymi o wysokiej intensywności. Protokół zawiera szczegółowy opis procesu wytwarzania tarcz do mikroobróbki oraz szczegółowy przewodnik dotyczący sposobu ustawiania celów w ognisku lasera z częstotliwością 0,2 Hz.

Acknowledgements

Ta praca została wsparta przez Izraelską Fundację Naukową, grant nr 1135/15 oraz przez Zuckerman STEM Leadership Program, Izrael, które są z wdzięcznością uznane. Dziękujemy również za wsparcie Fundacji Pazy, izraelskiego grantu #27707241 oraz grantu NSF-BSF nr 01025495. Autorzy uprzejmie dziękują Tel Aviv University Center for Nanoscience and Nanotechnolog

Materials

800 nm

76,2 x 127mm EFL 90° Chronione Złoto 100Å Off-Axis Parabolic Mirror	Edmund optics	35-535
MicroTrak 3 LTS 120-20	MTI Instruments
Ultraszybkie lustra dielektryczne dużej mocy do	Thorlabs

References

Snavely, R. A., et al. Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids. Physical Review Letters. 85, 4945 (2000).
Tosaki, S., et al. Evaluation of laser-driven ion energies for fusion fast-ignition research. Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2017 (10), 103 (2017).
Borghesi, M., et al. Proton imaging: a diagnostic for inertial confinement fusion/fast ignitor studies Related content Inertial confinement fusion and fast ignitor studies. Plasma Physics and Controlled Fusion. 43, 12 (2001).
Malka, V., et al. Practicability of proton therapy using compact laser systems. Medical Physics. 31 (6), 1587-1592 (2004).
Roth, M., et al. Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids. Physical Review Letters. 110, 044802 (2013).
Noaman-Ul-Haq, M., et al. Statistical analysis of laser driven protons using a high-repetition-rate tape drive target system. Physical Review Accelerators and Beams. 20 (4), 41301 (2017).
Li, Z., et al. Protons and electrons generated from a 5-μm thick copper tape target irradiated by s-, circularly-, and p-polarized 55-fs laser pulses. Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics. 369 (5-6), 483-487 (2007).
Shaw, B. H., et al. High-peak-power surface high-harmonic generation at extreme ultra-violet wavelengths from a tape. Journal of Applied Physics. 114 (4), 43106 (2013).
Fill, E., Bayerl, J., Tommasini, R. A novel tape target for use with repetitively pulsed lasers. Review of Scientific Instruments. 73 (5), 2190-2192 (2002).
Morrison, J. T., et al. MeV proton acceleration at kHz repetition rate from ultra-intense laser liquid interaction. New Journal of Physics. 20 (2), 22001 (2018).
Margarone, D., et al. Proton Acceleration Driven by a Nanosecond Laser from a Cryogenic Thin Solid-Hydrogen Ribbon. Physical Review X. 6, 041030 (2016).
Prencipe, I., et al. Targets for high repetition rate laser facilities: needs, challenges and perspectives. High Power Laser Science and Engineering. 5, 17 (2017).
Porat, E., et al. Towards direct-laser-production of relativistic surface harmonics. Proceedings Volume 11036, Relativistic Plasma Waves and Particle Beams as Coherent and Incoherent Radiation Sources III. , 110360 (2019).
Gershuni, Y., et al. A gatling-gun target delivery system for high-intensity laser irradiation experiments. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 934, 58-62 (2019).
Jung, D., et al. Development of a high resolution and high dispersion Thomson parabola. Review of Scientific Instruments. 82 (1), 13306 (2011).
Cobble, J. A., et al. High-resolution Thomson parabola for ion analysis. Review of Scientific Instruments. 82 (11), 113504 (2011).
Mančić, A., Fuchs, J., Antici, P., Gaillard, S. A., Audebert, P. Absolute calibration of photostimulable image plate detectors used as high-energy proton detectors. Review of Scientific Instruments. 79, 73301 (2008).
Mattox, D. M. . Processing. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. , (2007).
Astrom, K. J., Murray, R. M. . Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers. , (2006).
Passoni, M., Bertagna, L., Zani, A. Target normal sheath acceleration: Theory, comparison with experiments and future perspectives. New Journal of Physics. 12, 045012 (2010).
Roth, M., Schollmeier, M. Ion Acceleration: TNSA. Laser-Plasma Interactions and Applications. , 303-350 (2013).
Zaffino, R., et al. Efficient proton acceleration from a 3 TW table-top laser interacting with submicrometric mass-produced solid targets. Journal of Physics Communications. 2 (4), 41001 (2018).
Harres, K., et al. Development and calibration of a Thomson parabola with microchannel plate for the detection of laser-accelerated MeV ions. Review of Scientific Instruments. 79 (9), 93306 (2008).
Robinson, A. P. L., et al. Spectral modification of laser-accelerated proton beams by self-generated magnetic fields Related content New Journal of Physics Spectral modification of laser-accelerated proton beams by self-generated magnetic fields. New Journal of Physics. 11 (15), 83018 (2009).
Treffert, F., et al. Design and implementation of a Thomson parabola for fluence dependent energy-loss measurements at the Neutralized Drift Compression experiment. Review of Scientific Instruments. 89 (10), 103302 (2018).
Pappalardo, A., Cosentino, L., Finocchiaro, P. An imaging technique for detection and absolute calibration of scintillation light. Review of Scientific Instruments. 81 (3), 33308 (2010).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission

Zautomatyzowane dostarczanie mikrofabrykowanych tarcz do intensywnych eksperymentów z napromieniowaniem laserowym