Summary
En experimentell metod för att undersöka tidiga plasman utvecklingen orsakas av ultrakorta laserpulser beskrivs. Med användning av denna metod, är högkvalitativa bilder av tidig plasma erhållen med hög temporal och rumslig upplösning. En ny integrerad atomistisk modell används för att simulera och förklara de mekanismer för tidig plasma.
Abstract
Tidig plasma genereras till följd av hög intensitet laser bestrålning av mål och den efterföljande målmaterialet jonisering. Dess dynamik spelar en betydande roll i laser-materialet interaktion, i synnerhet i luftmiljö 1-11.
Tidig plasma evolution har beaktats genom pump-probe shadowgraphy 1-3 och interferometri 1,4-7. Men de studerade tidsramar och tillämpas laser parameterområden begränsad. Till exempel, direkta undersökningar av plasma främre platser och elektron täthet nummer inom en fördröjningstid på 100 pikosekund (PS) med avseende på laserpulsen toppen är fortfarande mycket få, särskilt för ultrakorta pulsen under en tid runt 100 femtosecond (FS) och en låg effektdensitet runt 10 14 W / cm 2. Tidig plasma genereras under dessa förhållanden har bara fångats nyligen med höga temporala och spatiala resolutioner 12. Den detaljerade inställningar strategin ochförfaranden enligt föreliggande hög precision mätning kommer att illustreras i detta dokument. Den logiska grunden för mätningen är optiska pump-probe shadowgraphy: en ultrakorta laserpuls delas till en pump puls och en sond puls, medan fördröjningen mellan dem kan justeras genom att ändra sin längd strålgång. Pumpen puls tar bort den mål-och genererar den tidiga plasma, och sonden puls utbreder sig genom plasmaområdet och detekterar icke-likformighet av elektron antal densitet. Dessutom är animeringar genereras med användning av de beräknade resultaten från simuleringsmodellen för Ref. 12 för att illustrera plasma bildas och utvecklas med en mycket hög upplösning (0,04 ~ 1 ps).
Både experimentella metoden och simuleringen metod kan tillämpas på ett brett spektrum av tidsramar och parametrar laser. Dessa metoder kan användas för att undersöka den tidiga plasmat genereras inte bara från metaller, utan också från halvledare och isolatorer.
Protocol
1. Optiskt system Setup (Fig. 1)
- Upprätta en halvvågsplatta och en polarisator efter laserutsignalen att justera energin laserpuls.
- Inrätta en stråldelare efter polarisatorn att dela laserpulsen till två pulser: pump puls och sond puls.
- Använd fyra reflekterande speglar och en manuell translationell steg att konstruera en optisk fördröjningsanordning för pumpen pulsen.
- Använd ytterligare fyra reflekterande speglar för att styra pumpen pulsen att nå målet ytan vertikalt.
- Upprätta en andra harmonisk generator (SHG) att transformera laserpulsen våglängd från 800 nm till 400 nm.
- Använd en harmonisk separator för att överföra 800-nm puls och speglar 400-nm puls.
- Inrätta en balk reduktionsväxel och ett par fokalt linser för att justera storleken och konvergens av sonden pulsen.
- Bilda ytterligare optisk fördröjningsanordning, såsom anges i Steg 1,3, för sondpulsen.
- Använda en irisring att justera området avsond puls och se till att sonden pulsen passerar målytan horisontellt och skär med pumpen pulsen.
- Ställ upp två objektiv och flera filter för att skapa bilden av plasman regionen tas emot av den intensifierade charge-coupled device (ICCD) kamera.
- Anslut datorn, laser, ICCD kameran och dess styrenhet med BNC kablar eller USB-kablar.
- Justera fördröjningen kamerans regulatorn tills kameran fångar en bild av sonden pulsen. Således är sondpulsen och kameran synkroniserade.
2. Pump-probe Synchronization
- Placera en stråldelare vid korsningen av pumpen puls och sonden pulsen och satte upp två fotodioder för att få dessa två pulser. Dessa två fotodioder bör ha en lika avstånd från stråldelaren.
- Använda ett oscilloskop för att ta emot signalerna från de två fotodioder, och flytta fördröjningssteget på pumppulsen strålgången tills den profiler av pumpen pulsen och den sondpulsen överlappar varandra på oscilloskopet skärmen. En noggrannhet av 20 ps uppnås på grund av den temporala upplösningen av oscilloskopet.
- Avlägsna stråldelaren och de två fotodioder som nämnts i steg 2.1.
- Justera fördröjningssteget på pumpen pulsen strålbanan tills luften fördelningen regionen kan bara observeras på ICCD skärmen. Den tid då bildandet av luft uppdelning kunde detekteras i stället för en enhetlig bakgrund bestäms som fördröjningstid noll.
3. Prov och Stage Förberedelse
- Inrätta en lab-jack och två manuella linjära steg för att flytta provet med tre frihetsgrader.
- Använd en mätklocka och höga mellanlägg precision att uppnå en hög planhet av stegen. Höjdskillnaden bör vara inom 1 | im per ett avstånd av 25,4 mm.
- Skära en kvadratisk bit (30 mm x 30 mm) av en Cu-ark med en tjocklek av 0,8 mm med användning av en fräsmaskin.
- Polera en smal sida (30 mm x 0,8 mm) av Cu bit tills ytråheten är lägre än 0,5 pm.
- Fäst Cu pjäs på toppen manualen scenen med den polerade smalt ansikte upp.
- Flytta målet med en manuell etapp som nämns i steg 3,1), medan bevaka sin position via ICCD kameran så att varje lutning kan justeras genom att sätta hög precision shims under målet.
- Upprepa steg 3,6 med den andra manuella scenen.
- Borra ett dussin hål på målet medan variera position objektiv av en tredje hög noggrannhet manuell skede. Fokalpunkten läge motsvarar läget av fokal lins där den minsta hålet borras.
4. Ablation och värdering
- Flytta fokal lins upp till ett avstånd av ca 50 | im bort från kontaktpunkten.
- Flytta fördröjningssteget på proben pulsen strålbanan med ett intervall på 0,3 mm för att fånga bilden var 2 PS till 10 ps, ellermed ett intervall av 3 mm för att fånga bilden var 20 ps tills 480 ps.
- Upprepa steg 4,2 flera gånger för repeterbarhet och noggrannhet.
- Flytta fokal lins ned till ett avstånd av ca 50 | im bort från brännpunkten, och upprepa steg 4,3.
5. Representativa resultat
De uppmätta shadowgraph bilderna som visas i fig.. 2 och FIG. 3, för fokalpunkten något ovanför och nedanför målytan, respektive. De längsgående och radiella expansionen positioner är plottade i fig. 4 och FIG. 5. De längsgående expansion hos dessa två fall i den första 100 ps är signifikant olika, men deras längsgående expansioner i följande 400 ps och deras radiella expansion är liknande. För det första fallet har den tidiga plasma inom 100 ps en endimensionell expansionen struktur bestående av flera skikt. För det andra fallet, den tidiga plAsma har en tvådimensionell expansionen struktur som inte förändras särskilt mycket inom 100 ps.
Simuleringsmodellen 12 används för att undersöka mekanismen för tidig plasma evolutionen. Tiden noll definieras som den tid då laserpulsen topp når målytan. De simulerade tidiga plasma evolution processerna stämmer väl överens med de uppmätta resultaten för båda dessa två fall, som visas i figur. 6 och fig. 7, respektive. Bildandet av den tidiga plasma inom 1 ps är också förutsägas för det första fallet med användning av simuleringsmodellen och visas i fig.. 8. Den tidiga plasma visade sig ha en region luft nedbrytning och en Cu plasmaområdet. Luften Fördelningen först orsakas av flera foton jonisering och sedan följt av lavinen jonisering. För det andra fallet är dock i fokus under målet ytan och ingen separat luft uppdelning region bildas. Istället sker jonisering av luften nära Cu plasma front och orsakas av påverkan jonisering på grund av de fria elektroner utkastade från Cu målet.
Figur 1. Schematisk ritning av pump-probe shadowgraph mätning.
Figur 2. Cu plasma expansion vid varandra fördröjningstider med brännpunkten något över ytan. Laser våglängd: 800 nm; pulslängden: 100 fs; effekttäthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.
Figur 3. Cu plasma expansion vid varandra fördröjningstider med brännpunkten något under ytan. Laser våglängd: 800 nm; pulslängden: 100 fs; effekttäthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.
<img alt = "Bild 4" src = "/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg" />
Figur 4. Plasma longitudinella och radiella positioner expansionsmöjligheter på varandra följande fördröjningstider med brännpunkten något över ytan. Laser våglängd: 800 nm; pulslängden: 100 fs; effekttäthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.
Figur 5. Plasma längsgående och radiella lägen expansion vid successiva fördröjningar med brännpunkten något under ytan. Laser våglängd: 800 nm; pulslängden: 100 fs; effekttäthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.
Figur 6. Animation av uppmätt och beräknad plasma expansion inom en fördröjningstid på 70 ps med brännpunkten något över ytan. Laser våglängd: 800 nm; pulslängden: 100 fs; effekttäthet: 4,2 × 10 14 2, mål: Cu. Klicka här för att se animation .
Figur 7. Animation av uppmätt och beräknad plasma expansion inom en fördröjningstid på 70 ps med brännpunkten något under ytan. Laser våglängd: 800 nm; pulslängden: 100 fs; effekttäthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu. Klicka här för att se animation .
Figur 8. Animation av uppmätt och beräknad plasma expansion inom en fördröjning på 1 ps med brännpunkten något över ytan. Laser våglängd: 800 nm; pulslängden: 100 fs; effekttäthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål:. Cu Klicka här för att se animation </ A>.
Discussion
De mät-och simuleringsmetoder som presenteras i detta dokument möjliggöra mer preciserade undersökningar av de tidiga plasma dynamik och en bättre förståelse av de jonisering mekanismerna för både luft-och Cu. Hög kvalitet plasma strukturer fångas med en tidsupplösning på 1 ps och en rumslig upplösning på 1 mikrometer. Denna mätning har en hög repeterbarhet också. Den kritiska förfarandet är att rikta in strålen mycket väl och framställa en målyta med en hög planhet samt en låg grovhet.
Detta tillvägagångssätt kan tillämpas på andra målmaterial och olika parametrar laser. Den enda begränsning av pump-probe shadowgraph metoden är en för låg elektron antalet täthet variation.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Författarna vill tacksamt erkänna det finansiella stödet för denna studie av National Science Foundation (Grant nr: CMMI-0.653.578, CBET-0.853.890).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Laser | Spectra-Physics | SPTF-100F-1K-1P | |
| ICCD camera | Princeton Instruments | 7467-0028 | |
| Oscilloscope | Rigol | DS1302CA | |
| Photodiode | Newport | 818-BB30 | |
| Linear stage | Newport | 433 | |
| Dial indicator | Mitutoyo | ID-C112E |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mao, S. S., Mao, X., Greif, R., Russo, R. E. Simulation of a picosecond laser ablation plasma. Appl. Phys. Lett. 76, 3370-3372 (2000).
- Chen, Z., Mao, S. S. Femtosecond laser-induced electronic plasma at metal surface. Appl. Phys. Lett. 93, 051506.1-051506.3 (2008).
- 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).
- Dausinger, F., Hügel, H., Konov, V. Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications. Proc. SPIE. 5147, 106-115 (2003).
- 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).
