Исследование ранней эволюции плазмы индуцированные сверхкоротких лазерных импульсов

Целью данного эксперимента является изучение ранней эволюции плазмы, индуцированной ультракороткими лазерными импульсами, с высоким временным и пространственным разрешением. Это достигается путем создания оптической системы, в которой один ультракороткий лазерный импульс разделяется на импульс накачки и зондирующий импульс. В качестве второго шага.

Синхронизируют импульс накачки и пробный импульс, обеспечивая нулевое время задержки для устройства оптической задержки. Затем подготавливают образец и предметный столик, чтобы добиться высокой плоскостности верхней поверхности образца и обеспечить ее параллельность пробному импульсу. После этого проводят абляцию, располагая фокальные точки немного выше и ниже мишени.

Импульс накачки вызывает абляцию мишени и генерирует начальную плазму, в то время как зондирующий импульс распространяется через область плазмы и регистрирует неоднородность электронной плотности. В конечном итоге, на основе полученных теневых снимков результаты демонстрируют расширение плазмы при последовательных временах задержки. Также на основе расчетных данных создаются анимации для иллюстрации формирования и эволюции плазмы с очень высоким разрешением.

Данный метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области исследований с использованием коротких импульсов, такие как влияние положения фокальной точки и ранней эволюции плазмы на лазерную абляцию. Применение этой методики способствует разработке и эффективному использованию ультракоротких импульсов, поскольку позволяют определить, какое количество энергии поглощается ранней плазмой в течение длительности лазерного импульса, что может быть использовано для усиления плазменного поля для различных задач диагностики и обработки материалов. Оптическая система, настроенная для метода «накачка-зондирование» и теневой графики, оснащена полуволновой пластинкой и поляризатором после выхода лазера для регулировки энергии лазерного импульса.

Светоделитель, установленный после поляризатора, разделяет лазерный импульс на два: управляющий и зондирующий. Четыре отражающих зеркала и ручной translational-столик используются для создания устройства оптической задержки управляющего импульса. Еще четыре отражающих зеркала направляют управляющий импульс перпендикулярно к поверхности мишени.

Генератор второй гармоники изменяет длину волны лазерного импульса с 800 нанометров до 400 нанометров. Затем сепаратор гармоник пропускает импульс с длиной волны 800 нанометров и отражает импульс с длиной волны 400 нанометров. Далее следует редуктор пучка.

Еще одно устройство оптической задержки для пробного импульса. Путь импульса формируется с помощью четырех отражающих зеркал, а пара фокусирующих линз регулирует размер и сходимость пробного импульса. Кольцевая диафрагма настраивает область пробного импульса и обеспечивает его горизонтальное прохождение через поверхность мишени и пересечение с накачивающим импульсом рядом с объективами и несколькими фильтрами для формирования изображения области плазмы, которое регистрируется камерой на базе ПЗС с усилением.

Наконец, компьютер, лазер, ICCD-камера и ее контроллер соединяются с помощью кабелей BNC или USB; отрегулируйте время задержки контроллера камеры так, чтобы камера зафиксировала изображение пробного импульса. Эффективная синхронизация импульса пробника и срабатывания камеры осуществляется с помощью светоделителя на пересечении возбуждающего и пробного импульсов, при этом два фотодиода регистрируют эти два импульса. Эти два фотодиода должны находиться на одинаковом расстоянии от светоделителя.

Затем светоделитель извлекают, используя осциллограф для приема сигналов от этих двух фотодиодов. Перемещайте каскад задержки на пути пучка накачки до тех пор, пока профили импульса накачки и пробного импульса не совпадут друг с другом на экране осциллографа. После синхронизации достигается точность 20 picoseconds в соответствии с временным разрешением осциллографа.

Снимите два фотодиода. Отрегулируйте линию задержки на пути луча накачки до тех пор, пока на экране ICCD не станет заметна область пробоя воздуха. Время, при котором вместо однородного фона начинает обнаруживаться формирование пробоя воздуха, принимается за нулевое время задержки.

Критически важным аспектом данной методики является обеспечение того, чтобы мишень не перекрывала никакую часть изображения плазмы. Этого можно достичь путем подготовки образца и предметного столика для обеспечения высокой плоскостности верхней поверхности образца и ее параллельности траектории движения зонда. Начните подготовку столика с установки лабораторного домкрата и двух ручных линейных стейджей.

Последовательно перемещайте образец с помощью устройства с тремя степенями свободы, индикатора часового типа и прецизионных прокладок. Чтобы добиться высокой плоскостности ступеней, разница высот должна составлять не более одного микрона на 25.4 мм. Затем с помощью фрезерного станка подготовьте образец, вырезав квадратный фрагмент из медного листа толщиной 0.8 мм. Используйте полировальный станок, чтобы отполировать узкую сторону медной детали до достижения шероховатости поверхности ниже 0.5 мкм.

Закрепите медную деталь на верхней ручной платформе полированной узкой стороной вверх. Перемещайте мишень с помощью одной ручной платформы, контролируя ее положение через ICCD-камеру, чтобы можно было отрегулировать любой наклон, вставляя под мишень высокопрецизионные SHI. Повторите этот процесс с другой ручной платформой.

Наконец, просверлите дюжину отверстий в мишени, изменяя положение фокусирующей линзы с помощью третьего ручного прецизионного столика. Положение фокуса соответствует положению фокусирующей линзы, при котором просверлено самое маленькое отверстие. Фактическое измерение следует проводить в темноте.

Однако для целей съемки при выполнении абляции использовался некоторый свет. Сначала переместите фокусирующую линзу вверх на расстояние примерно 50 microns от фокальной точки. Затем переместите каскад задержки на пути пучка зондирующего импульса с интервалом 0.3 millimeters для получения изображения.

Каждые две пикосекунды до достижения 10 пикосекунд или с интервалом в три миллиметра, чтобы делать снимки каждые 20 пикосекунд до достижения 480 пикосекунд. Повторите этот процесс несколько раз для обеспечения воспроизводимости и точности. В качестве заключительного этапа переместите фокусирующую линзу вниз на расстояние около 50 микрон от фокальной точки и сделайте снимки.

Ниже снова представлены полученные теневые снимки, соответствующие расширению медной плазмы при различных временах задержки. Эти изображения соответствуют положению фокуса чуть выше и чуть ниже поверхности мишени. Здесь приведены графики продольного и радиального расширения для случаев, когда фокус находился чуть выше и чуть ниже поверхности мишени.

Продольное расширение в этих двух случаях существенно различается в первые 100 пикосекунд: в первом случае ранняя плазма в течение первых 100 пикосекунд имеет одномерную структуру расширения, состоящую из нескольких слоев. Во втором случае ранняя плазма имеет двумерную структуру расширения, которая практически не меняется на протяжении 100 пикосекунд. Однако продольное расширение в последующие 400 пикосекунд, а также радиальное расширение в обоих случаях схожи. В данной работе используется имитационная модель для исследования механизма эволюции ранней плазмы путем моделирования электронной плотности при расположении фокуса чуть выше поверхности мишени.

Нулевой момент времени определяется как время, когда пик лазерного импульса достигает поверхности мишени. Эта же модель используется для изучения случаев, когда фокус находится чуть ниже поверхности мишени. Смоделированные процессы ранней эволюции плазмы хорошо согласуются с измеренными результатами.

В обоих этих случаях предсказывается формирование первичной плазмы в течение одной пикосекунды; для первого случая, согласно имитационной модели, установлено, что первичная плазма состоит из области пробоя воздуха и области медной плазмы. В втором случае пробой воздуха сначала вызван многофотонной ионизацией, за которой следует лавинная ионизация. Однако точка фокусировки находится ниже поверхности мишени, и отдельная область пробоя воздуха не образуется.

Вместо этого ионизация воздуха происходит вблизи фронта медной плазмы и вызвана ударной ионизацией вследствие вылета свободных электронов из медной мишени после её развития. Этот метод открыл исследователям в области короткоимпульсных лазеров путь к изучению ранней эволюции плазмы в процессе абляции. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как использовать теневой метод для измерения характеристик плазмы.