Name: Badania wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultrakrótkimi impulsami laserowymi (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:02:00.000+00:00
Duration: 11 min 20 s
Description: Poznaj metodę pomiaru wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultrakrótkimi impulsami laserowymi z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną. Technika ta pozwala wizualizować dynamikę plazmy i analizować wpływ położenia ogniskowej na jej rozwój.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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

1. Konfiguracja układu optycznego (Rys. 1)
<ol>
 <li>Ustaw płytkę półfalową oraz polaryzator za wyjściem lasera, aby regulować energię impulsu laserowego.</li>
 <li>Ustaw dzielnik wiązki za polaryzatorem, aby podzielić impuls laserowy na dwa impulsy: impuls pompujący i impuls sondujący.</li>
 <li>Używając czterech luster odbijających oraz manualnej platformy translacyjnej, zbuduj urządzenie do opóźniania optycznego impulsu pompującego.</li>
 <li>Użyj kolejnych czterech luster odbijających, aby skierować impuls pompujący tak, by padał on pionowo na powierzchnię celu.</li>
 <li>Ustaw generator drugiej harmonicznej (SHG), aby zmienić długość fali impulsu laserowego z 800 nm na 400 nm.</li>
 <li>Użyj separatora harmonicznych, aby przepuścić impuls o długości 800 nm i odbić impuls o długości 400 nm.</li>
 <li>Ustaw reduktor wiązki oraz parę soczewek skupiających, aby dostosować rozmiar i zbieżność impulsu sondującego.</li>
 <li>Ustaw drugie urządzenie do opóźniania optycznego dla impulsu sondującego, zgodnie z opisem w kroku 1.3.</li>
 <li>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.</li>
 <li>Ustaw dwa obiektywy oraz kilka filtrów, aby wygenerować obraz obszaru plazmy, który zostanie zarejestrowany przez kamerę z intensyfikowanym urządzeniem sprzężonych ładunków (ICCD).</li>
 <li>Połącz komputer, laser, kamerę ICCD oraz jej kontroler za pomocą kabli BNC lub kabli USB.</li>
 <li>Reguluj czas opóźnienia kontrolera kamery, aż kamera zarejestruje obraz impulsu sondującego. W ten sposób impuls sondujący i kamera zostaną zsynchronizowane.</li>
</ol>
2. Synchronizacja pompy i próby
<ol>
 <li>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.</li>
 <li>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.</li>
 <li>Usuń dzielnik wiązki oraz dwie fotodiody, zgodnie z opisem w kroku 2.1.</li>
 <li>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.</li>
</ol>
3. Przygotowanie próbki i stolika
<ol>
 <li>Ustaw podnośnik laboratoryjny oraz dwa manualne stoły liniowe, aby umożliwić przesuwanie próbki w trzech stopniach swobody.</li>
 <li>Użyj czujnika zegarowego i podkładek wysokiej precyzji, aby uzyskać wysoką płaskość stołów. Różnica wysokości nie powinna przekraczać 1 μm na dystansie 25.4 mm.</li>
 <li>Wytnij z arkusza Cu o grubości 0.8 mm kwadratowy element (30 mm × 30 mm) za pomocą frezarki.</li>
 <li>Poleruj wąską krawędź (30 mm × 0.8 mm) elementu z Cu, aż chropowatość powierzchni spadnie poniżej 0.5 μm.</li>
 <li>Zamocuj element z Cu na górnym stole manualnym polerowaną wąską stroną do góry.</li>
 <li>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.</li>
 <li>Powtórz krok 3.6 z drugim stołem manualnym.</li>
 <li>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.</li>
</ol>
4. Ablacja i pomiar
<ol>
 <li>Przesuń soczewkę ogniskującą w górę na odległość około 50 μm od punktu ogniskowania.</li>
 <li>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.</li>
 <li>Powtórz krok 4.2 kilka razy w celu zapewnienia powtarzalności i dokładności.</li>
 <li>Przesuń soczewkę ogniskującą w dół na odległość około 50 μm od punktu ogniskowania, a następnie powtórz krok 4.3.</li>
</ol>
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.
<img alt="Schemat układu optycznego; ultraszybka spektroskopia laserowa; metoda pompa-sonda, lustra, soczewki, filtry." src="/files/ftp_upload/4033/4033fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Schemat pomiaru cieniograficznego metodą pompa-sonda.
<img alt="Schemat dynamiki ultraszybkiej przedstawiający propagację fali uderzeniowej na granicy miedź-powietrze w czasie od 16 do 450 ps." src="/files/ftp_upload/4033/4033fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
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.
<img alt="Ultraszybka dynamika; absorpcja przejściowa; obrazy mikroskopii z rozdzielczością czasową; wzory wzbudzenia optycznego." src="/files/ftp_upload/4033/4033fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
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.
<img alt="Wykres absorpcji przejściowej, czas opóźnienia względem pozycji; analiza danych radialnych i podłużnych." src="/files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
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.
<img alt="Wykres absorpcji przejściowej; pozycje radialne i podłużne w funkcji czasu opóźnienia w pikosekundach." src="/files/ftp_upload/4033/4033fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie6.avi" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację</a>.
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie7.avi" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację</a>.
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie8.avi" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację</a>.

<ol><li>Garnov, S. V., Malyutin, A. A., Tsarkova, O. G., Konov, V. I., Dausinger, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+laser-induced+plasma+diagnostics+with+time-spatial+resolved+shadow+and+interferometric+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Ultrafast laser-induced plasma diagnostics with time-spatial resolved shadow and interferometric techniques.</a> Proc. SPIE. 4637, 31-42 (2002).</li>
<li>Zhang, N., Zhu, X., Yang, J., Wang, X., Wang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-resolved+shadowgraphs+of+material+ejection+in+intense+femtosecond+laser+ablation+of+aluminum%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Time-resolved shadowgraphs of material ejection in intense femtosecond laser ablation of aluminum.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 167602(2007).</li>
<li>Li, J., Wang, X., Chen, Z., Clinite, R., Mao, S. S., Zhu, P., Sheng, Z., Zhang, J., Cao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+electron+beam+imaging+of+femtosecond+laser-induced+plasma+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Ultrafast electron beam imaging of femtosecond laser-induced plasma dynamics.</a> J. Appl. Phys. 107, 083305(2010).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femtosecond+optical+diagnostics+and+hydrodynamic+simulation+of+Ag+plasma+created+by+laser+irradiation+of+a+solid+target%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+B%22%5BJournal%5D)">Femtosecond optical diagnostics and hydrodynamic simulation of Ag plasma created by laser irradiation of a solid target.</a> J. Phys. B. 41, 125704(2008).</li>
<li>Geindre, J. P., Audebert, P., Rousse, A., Falliés, F., Gauthier, J. C., Mysyrowicz, A., Santos, A. D., Hamoniaux, G., Antonetti, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency-domain+interferometer+for+measuring+the+phase+and+amplitude+of+a+femtosecond+pulse+probing+a+laser-produced+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Frequency-domain interferometer for measuring the phase and amplitude of a femtosecond pulse probing a laser-produced plasma.</a> Opt. Lett. 19, 1997-1999 (1994).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+and+experimental+study+of+hydrodynamics+of+metal+target+irradiated+by+ultrashort+laser+pulse%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Theoretical and experimental study of hydrodynamics of metal target irradiated by ultrashort laser pulse.</a> Proc. SPIE. 7005, 70052F.1-70052F.10 (2008).</li>
<li>Flacco, A., Guemnie-Tafo, A., Nuter, R., Veltcheva, M., Batani, D., Lefebvre, E., Malka, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+a+controlled+plasma+expansion+in+vacuum+for+laser+driven+ion+acceleration%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Characterization of a controlled plasma expansion in vacuum for laser driven ion acceleration.</a> J. Appl. Phys. 104, 103304.1-103304.5 (2008).</li>
<li>Mao, S. S., Mao, X., Greif, R., Russo, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simulation+of+a+picosecond+laser+ablation+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Simulation of a picosecond laser ablation plasma.</a> Appl. Phys. Lett. 76, 3370-3372 (2000).</li>
<li>Chen, Z., Mao, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femtosecond+laser-induced+electronic+plasma+at+metal+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Femtosecond laser-induced electronic plasma at metal surface.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 051506.1-051506.3 (2008).</li>
<li>Kononenko, T. V., Konov, V. I., Garnov, S. V., Danielius, R., Piskarskas, A., Tamoshauskas, G., Dausinger, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+study+of+the+ablation+of+materials+by+femtosecond+and+pico-+or+nanosecond+laser+pulses%5BTitle%5D)+AND+%22Quantum+Electron%22%5BJournal%5D)">Comparative study of the ablation of materials by femtosecond and pico- or nanosecond laser pulses.</a> Quantum Electron. 29, 724-728 (1999).</li>
<li>Dausinger, F., Hügel, H., Konov, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-machining+with+ultrashort+laser+pulses%3A+From+basic+understanding+to+technical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications.</a> Proc. SPIE. 5147, 106-115 (2003).</li>
<li>Hu, W., Shin, Y. C., King, G. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Early-stage+plasma+dynamics+with+air+ionization+during+ultrashort+laser+ablation+of+metal%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+of+Plasmas%22%5BJournal%5D)">Early-stage plasma dynamics with air ionization during ultrashort laser ablation of metal.</a> Phys. of Plasmas. 18, 093302.1-093302.12 (2011).</li>
</ol>

Brak zadeklarowanych konfliktów interesów.

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.

<table><tbody><tr><td>Laser</td><td>Spectra-Physics</td><td>SPTF-100F-1K-1P</td><td></td></tr><tr><td>Kamera ICCD</td><td>Princeton Instruments</td><td>7467-0028</td><td></td></tr><tr><td>Oscyloskop</td><td>Rigol</td><td>DS1302CA</td><td></td></tr><tr><td>Fotodioda</td><td>Newport</td><td>818-BB30</td><td></td></tr><tr><td>Stół liniowy</td><td>Newport</td><td>433</td><td></td></tr><tr><td>Zegar pomiarowy</td><td>Mitutoyo</td><td>ID-C112E</td><td></td></tr></tbody></table>

badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultraszybkimi impulsami laserowymi

Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses

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.

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.

Badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultraszybkimi impulsami laserowymi

Wczesna plazma powstaje w wyniku naświetlania celu laserem o wysokiej intensywności i następującej po nim jonizacji materiału celu. Jej dynamika odgrywa...

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.

investigation-early-plasma-evolution-induced-ultrashort-laser

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej przez ultrakrótkie impulsy laserowe

Możliwości wykrywania LIBS na symulantach glebowych zostały przetestowane przy użyciu różnych energii impulsów i parametrów czasowych.  Krzywe kalibracyjne wykorzystano do wyznaczenia granic wykrywalności i czułości dla różnych parametrów.  Ogólnie rzecz biorąc, wyniki pokazały, że nie nastąpiło znaczące zmniejszenie możliwości wykrywania przy użyciu niższych energii impulsów i detekcji bez bramki.

Zależność wyników spektroskopii rozpadów indukowanych laserem od energii impulsów i parametrów czasowych z wykorzystaniem płynów modelowych gleby

Atomowe i dwuatomowe gatunki molekularne z rozdzielczością czasową są mierzone za pomocą LIBS. Widma są zbierane z różnymi opóźnieniami czasowymi po wytworzeniu plazmy rozpadu optycznego z promieniowaniem laserowym Nd:YAG i są analizowane w celu wywnioskowania gęstości elektronów i temperatury.

Pomiar i analiza widm wodoru atomowego i dwuatomowego molekularnego AlO,C2, CN i TiO po rozpadzie optycznym wywołanym laserem

Opracowanie nowych materiałów ablacyjnych i ich modelowanie numeryczne wymaga szeroko zakrojonych badań eksperymentalnych. Protokół ten opisuje procedury charakterystyki odpowiedzi materiału w przepływach plazmy, przy czym podstawowe techniki są nieinwazyjnymi metodami śledzenia recesji materiału wraz z chemią w reaktywnej warstwie granicznej za pomocą spektroskopii emisyjnej.

Badanie warstwy granicznej metodą spektroskopowej emisji podczas badania materiału ablacyjnego w plazmatronie

Widma rentgenowskie dostarczają wielu informacji na temat plazmy o wysokiej temperaturze. Niniejszy manuskrypt przedstawia działanie spektrometru rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości falowej, obrazującego przestrzennie, służącego do oglądania jonów wodoropodobnych i helopodobnych pierwiastków o średniej liczbie atomowej w plazmie tokamakowej.

Zastosowanie spektroskopii krystalicznej do obrazowania rentgenowskiego jako diagnostyki plazmy wysokotemperaturowej

Stworzono eksperymentalną konfigurację dla napędzanego helem strumienia plazmy o częstotliwości kHz. Konfiguracja obejmuje klatkę do zasilania plazmą i dyszą oraz wbudowany reaktor do monitorowania indukowanych plazmą form reaktywnych bez ingerencji atmosfery otoczenia.

Układ plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym do zbadania powstawania form reaktywnych

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Ten protokół opisuje kluczowe kroki do przeprowadzania i analizowania eksperymentów z pompą-sondą, łącząc femtosekundowy laser optyczny z laserem na swobodnych elektronach, w celu zbadania ultraszybkich reakcji fotochemicznych w cząsteczkach fazy gazowej.

Eksperymentalny protokół dla femtosekundowego NIR/UV - Eksperymenty z pompą i sondą XUV z laserami na swobodnych elektronach

Przedstawiamy protokół do badania ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodników, które skutkują dysocjacją molekularną.

Pomiar ultraszybkich koherencji wibracyjnych w wieloatomowych kationach rodnikowych z jonizacją adiabatyczną w silnym polu

Głównym celem tej pracy jest ułatwienie grupom badawczym niezaznajomionym z sondami Langmuira i sondami emisyjnymi używania ich do diagnostyki plazmy, szczególnie w pobliżu granic plazmy. Robimy to, pokazując, jak zbudować sondy z łatwo dostępnych materiałów i materiałów.

Budowa sond Langmuira i sond emisyjnych do pomiarów potencjału plazmy w plazmach niskociśnieniowych i niskotemperaturowych

Metoda nakłuwania termoplazmonicznego łączy mikroskopię konfokalną, pęsetę optyczną i nanocząstki złota do badania reakcji białek podczas naprawy błony plazmatycznej w komórkach i gigantycznych pęcherzykach jednopłytkowych. Technika ta umożliwia szybkie i miejscowe nakłucie błony, co pozwala na identyfikację kluczowych białek i ich ról funkcjonalnych w skomplikowanej maszynerii naprawy błony plazmatycznej.

Termoplazmoniczne podejście do badania naprawy błon plazmatycznych w żywych komórkach i błonach modelowych

Poznaj metodę pomiaru wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultrakrótkimi impulsami laserowymi z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną. Technika ta pozwala wizualizować dynamikę plazmy i analizować wpływ położenia ogniskowej na jej rozwój.

Badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultraszybkimi impulsami laserowymi

Przeglądaj więcej filmów