Badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultraszybkimi impulsami laserowymi

Celem niniejszego eksperymentu jest zbadanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej przez ultraszybkie impulsy laserowe z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną. Osiąga się to poprzez skonfigurowanie układu optycznego, w którym jeden ultraszybki impuls laserowy jest dzielony na impuls pompujący oraz impuls badawczy. Jako drugi krok.

Impuls pompujący i impuls sondujący są zsynchronizowane, co wyznacza czas opóźnienia zero dla urządzenia opóźnienia optycznego. Następnie przygotowuje się próbkę i stolik, aby uzyskać wysoką płaskość górnej powierzchni próbki oraz zapewnić jej równoległość względem impulsu sondującego. W dalszej kolejności przeprowadza się ablację, ustawiając punkty ogniskowania nieco powyżej i nieco poniżej celu.

Impuls pompowy abluje cel i generuje wczesną plazmę, podczas gdy impuls badawczy rozprzestrzenia się przez obszar plazmy i wykrywa niejednorodność gęstości liczbowej elektronów. Ostatecznie wyniki pokazują ekspansję plazmy w kolejnych odstępach czasu na podstawie zmierzonego obrazu cieniowego. Wygenerowano również animacje w oparciu o obliczone wyniki, aby zilustrować powstawanie i ewolucję plazmy z bardzo wysoką rozdzielczością.

Niniejsza metoda może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie ultrakrótkich impulsów, takie jak wpływ położenia punktu ogniskowania oraz wczesnej ewolucji plazmy na ablację laserową. Zastosowanie tej techniki rozciąga się na rozwój i efektywne wykorzystanie ultrakrótkich impulsów, ponieważ pozwala określić, jaka ilość energii jest pochłaniana przez wczesną plazmę podczas trwania ultrakrótkiego impulsu laserowego i może być wykorzystana do wzmocnienia pola plazmy w różnych badaniach diagnostycznych oraz pracach nad przetwarzaniem materiałów. Układ optyczny skonfigurowany do pomiarów typu pompa-sonda (pump-probe) oraz shadowgraphy posiada płytkę półfalową i polaryzator za wyjściem lasera w celu regulacji energii impulsu laserowego.

Rozdzielacz wiązki umieszczony za polaryzatorem rozdziela impuls laserowy na dwa impulsy: impuls pompujący i impuls sondujący. Do konstrukcji urządzenia opóźniającego impuls pompujący wykorzystano cztery lustra odbijające oraz manualną przekładnię translacyjną. Kolejne cztery lustra odbijające kierują impuls pompujący tak, aby padał on pionowo na powierzchnię celu.

Generator drugiej harmonicznej zmienia długość fali impulsu laserowego z 800 nm na 400 nm. Następnie separator harmonicznych przepuszcza impuls o długości 800 nm i odbija impuls o długości 400 nm. Kolejnym elementem jest reduktor wiązki.

Kolejne urządzenie do opóźnienia optycznego impulsu sondującego. Tor impulsu zbudowano z czterech luster odbijających, a para soczewek ogniskowych reguluje rozmiar i zbieżność impulsu sondującego. Pierścień przysłony dostosowuje obszar impulsu sondującego i zapewnia, że impuls ten przechodzi poziomo przez powierzchnię celu i przecina się z impulsem pompującym obok soczewek obiektywu oraz kilku filtrów, aby wygenerować obraz obszaru plazmy, który zostanie zarejestrowany przez kamerę CCD z wzmacniaczem obrazu.

Na koniec komputer, laser, kamera ICCD oraz jej kontroler zostają połączone za pomocą kabli BNC lub kabli USB; należy dostosować czas opóźnienia kontrolera kamery, aż kamera zarejestruje obraz wiązki sondującej. Skuteczna synchronizacja impulsu sondującego z pompującym w układzie pompy-sondy odbywa się za pomocą dzielnika wiązki umieszczonego w punkcie przecięcia impulsu pompującego i impulsu sondującego, a dwa fotodiody rejestrują oba impulsy. Te dwie fotodiody powinny znajdować się w tej samej odległości od dzielnika wiązki.

Następnie usuwa się dzielnik wiązki i wykorzystuje oscyloskop do odbioru sygnałów z tych dwóch fotodiod. Przesuwa się człon opóźniający na drodze wiązki impulsu pompowania, aż profile impulsu pompowania i impulsu sondującego pokryją się na ekranie oscyloskopu. Dzięki synchronizacji uzyskuje się dokładność rzędu 20 picoseconds, zgodnie z rozdzielczością czasową oscyloskopu.

Usuń dwie fotodiody. Reguluj stopień opóźnienia na drodze wiązki impulsu pompy, aż na ekranie ICCD będzie można dostrzec obszar przebicia powietrza. Moment, w którym można wykryć formowanie się przebicia powietrza zamiast jednorodnego tła, określa się jako czas opóźnienia zero.

Kluczowym elementem tej techniki jest zapewnienie, aby obiekt nie blokował żadnej części obrazu plazmy. Można to osiągnąć poprzez przygotowanie próbki i stolika w sposób zapewniający wysoką płaskość górnej powierzchni próbki oraz sprawienie, aby była ona równoległa do toru przejścia sondy. Przygotowanie stolika należy rozpocząć od ustawienia podnośnika laboratoryjnego oraz dwóch manualnych przesuwów liniowych.

Kolejno przesuń próbkę w trzech stopniach swobody, korzystając z zegara porównawczego i podkładek wysokiej precyzji. Aby uzyskać wysoką płaskość platform, różnica wysokości powinna wynosić jedną mikron na odległość 25,4 milimetrów. Następnie, używając frezarki, przygotuj próbkę, wycinając kwadratowy element z miedzianej blachy o grubości 0,8 milimetrów. Użyj polerki, aby wypolerować wąską krawędź miedzianego elementu, aż chropowatość powierzchni spadnie poniżej 0,5 mikronów.

Przymocuj miedziany element do górnego stolika manualnego polerowaną wąską stroną do góry. Przesuń próbkę za pomocą jednego stolika manualnego, monitorując jej pozycję za pomocą kamery ICCD, tak aby można było skorygować jakiekolwiek nachylenie poprzez wstawienie pod próbkę wysokoprecyzyjnych podkładek SHI. Powtórz ten proces z drugim stolikiem manualnym.

Na koniec należy wywiercić kilkanaście otworów w celu, zmieniając pozycję soczewki ogniskującej za pomocą trzeciego, wysokoprecyzyjnego stolika manualnego. Położenie punktu ogniskowania odpowiada pozycji soczewki ogniskującej, przy której wywiercono najmniejszy otwór. Pomiar właściwy powinien być przeprowadzony w ciemności.

Jednakże w celach filmowych do przeprowadzenia ablacji wykorzystano niewielką ilość światła. Najpierw należy przesunąć soczewkę ogniskową na odległość około 50 mikronów od punktu ogniskowania. Następnie należy przesunąć zespół opóźniający na drodze wiązki impulsu probe w odstępach 0,3 milimetra, aby zarejestrować obraz.

Co dwa pikosekundy, aż do osiągnięcia 10 pikosekund, lub w interwałach trzech milimetrów, aby rejestrować obraz co 20 pikosekund, aż do osiągnięcia 480 pikosekund. Powtórz ten proces kilkakrotnie w celu zapewnienia powtarzalności i dokładności. W ostatnim kroku przesuń soczewkę skupiającą w dół, na odległość około 50 mikronów od punktu ogniskowania, i zarejestruj obrazy.

Ponownie przedstawiono zmierzone obrazy cieniowe wynikające z ekspansji plazmy miedzianej przy kolejnych czasach opóźnienia. Obrazy te odpowiadają położeniu punktu ogniskowania nieco powyżej i nieco poniżej powierzchni tarczy. Tutaj naniesiono poziomy ekspansji podłużnej i promieniowej dla przypadków, gdy punkt ogniskowania znajduje się nieco powyżej i nieco poniżej powierzchni tarczy.

Rozszerzenia podłużne w tych dwóch przypadkach różnią się znacząco w ciągu pierwszych 100 picosekund; w pierwszym przypadku wczesna plazma w czasie do 100 picosekund wykazuje strukturę rozszerzenia jednowymiarowego składającą się z wielu warstw. W drugim przypadku wczesna plazma posiada strukturę rozszerzenia dwuwymiarowego, która nie zmienia się znacząco w ciągu 100 picosekund. Jednakże rozszerzenia podłużne w kolejnych 400 picosekundach oraz rozszerzenia radialne są podobne. W niniejszej pracy wykorzystano model symulacyjny do zbadania mechanizmu ewolucji wczesnej plazmy poprzez symulację gęstości elektronów w sytuacji, gdy punkt ogniskowania znajduje się nieco powyżej powierzchni celu.

Czas zero definiuje się jako moment, w którym szczyt impulsu laserowego dociera do powierzchni celu. Ten sam model wykorzystano do zbadania sytuacji, w której punkt ogniskowania znajduje się nieco poniżej powierzchni celu. Symulowane procesy wczesnej ewolucji plazmy są zgodne z wynikami pomiarów.

W obu tych przypadkach przewiduje się powstanie wczesnej plazmy w ciągu jednej pikosekundy; w pierwszym przypadku, przy użyciu modelu symulacyjnego, stwierdzono, że wczesna plazma składa się z obszaru przebicia powietrza oraz obszaru plazmy miedzi. W drugim przypadku przebicie powietrza jest początkowo wywołane jonizacją wielofotonową, po której następuje jonizacja lawinowa. Jednak w tym przypadku punkt ogniskowania znajduje się poniżej powierzchni celu i nie tworzy się oddzielny obszar przebicia powietrza.

Zamiast tego, jonizacja powietrza zachodzi w pobliżu czoła plazmy miedzi i jest spowodowana jonizacją zderzeniową wywołaną przez wolne elektrony wybite z tarczy miedzianej po jej rozwoju. Technika ta utorowała badaczom w dziedzinie laserów impulsowych drogę do badania wczesnej ewolucji plazmy w procesie ablacji. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć, jak wykorzystać shadowgraph do pomiarów plazmy.