Summary
Een experimentele methode om het begin van de plasma-evolutie veroorzaakt door ultrakorte laserpulsen te onderzoeken beschreven. Met behulp van deze methode worden de beelden van hoge kwaliteit van de vroege plasma verkregen met een hoge ruimtelijke en temporele resoluties. Een nieuwe geïntegreerde atomistisch model wordt gebruikt om te simuleren en uit te leggen de mechanismen van de vroege plasma.
Abstract
Vroege plasma wordt gegenereerd door de hoge intensiteit laser bestraling van target en de daarop volgende doelwit materiaal ionisatie. De dynamiek speelt een belangrijke rol in de laser-materiaal interactie, in het bijzonder in de lucht omgeving 1-11.
Vroege plasma evolutie is overgenomen door pump-probe shadowgraphy 1-3 en interferometrie 1,4-7. Echter, de bestudeerde termijnen en toegepast laser parameterreeksen beperkt. Bijvoorbeeld, de directe onderzoek van plasma voor locaties en elektron aantal dichtheden binnen een vertragingstijd van 100 picoseconde (ps) met betrekking tot de laserpuls piek zijn nog steeds erg weinig, vooral voor de ultrakorte puls met een duur rond de 100 femtoseconde (fs) en een lage vermogensdichtheid rond 10 14 W / cm 2. Vroege plasma opgewekt in deze omstandigheden pas onlangs is gevangen met een hoge ruimtelijke en temporele resoluties 12. De gedetailleerde setup strategie enprocedures van deze grote nauwkeurigheid gemeten worden toegelicht in dit document. De ratio van de meting is optische pomp-probe shadowgraphy: een ultrakorte laserpuls gesplitst een pomppuls en probe puls, terwijl de tijd tussen hen kan worden aangepast door de bundel weglengte. De pomppuls ablates het doel en genereert de eerste plasma en de sonde puls voortplant door het plasma gebied en detecteert de niet uniformiteit van elektronen aantal dichtheid. Bovendien worden animaties gegenereerd met de berekende resultaten van het simulatiemodel van Ref. 12 van de plasma vorming en ontwikkeling illustreren met een zeer hoge resolutie (0,04 ~ 1 ps).
Zowel de experimentele methode en simulatiemethode kan worden toegepast op een groot aantal tijdframes en laser parameters. Deze methoden kunnen worden gebruikt om de eerste plasma gegenereerd niet alleen metalen, maar ook van halfgeleiders en isolatoren onderzoeken.
Protocol
1. Optical System Setup (fig. 1)
- Stel een halve golf plaat en een polarisator na de laserstraal de laser pulsenergie passen.
- Het opzetten van een beam splitter na de polarisator aan de laserpuls te splitsen tot twee pulsen: pomppuls en probe-puls.
- Gebruik vier reflecterende spiegels en een handleiding translationeel podium om een optische vertraging apparaat te maken voor de pomp pols.
- Gebruik nog eens vier reflecterende spiegels om de pomp puls te begeleiden naar het doeloppervlak verticaal te bereiken.
- Stel een tweede harmonische generator (SHG) de laserimpuls golflengte transformeren van 800 nm tot 400 nm.
- Gebruik een harmonische separator om het 800-nm puls zenden en de 400-nm puls te geven.
- Stel een balk verloopstuk en een paar objectieven focaal de grootte en de convergentie van de probe puls passen.
- Stel andere optische vertragingsinrichting, zoals in stap 1,3, de probe puls.
- Gebruik een Iris ring om het gebied van de aan te passenprobe-puls en zorg ervoor dat de sonde puls horizontaal langs het doel oppervlak en kruisen met de pomp pols.
- Set twee objectieven en diverse filters om het beeld van de plasma-regio te worden opgevangen door de geïntensiveerde charge-coupled device (ICCD) camera te genereren.
- Sluit de computer, de laser, de ICCD camera en de besturing met behulp van BNC kabels of USB-kabels.
- Stel de vertragingstijd van de camera-controller tot en met de camera een beeld van de sonde pols legt. Zo worden de probe puls en de camera gesynchroniseerd.
2. Pump-probe Synchronisatie
- Plaats een bundeldeler op het kruispunt van de pomppuls en probe-puls en stel twee fotodiodes deze twee pulsen ontvangen. Deze twee fotodiodes moeten eenzelfde afstand van de bundeldeler.
- Gebruik een oscilloscoop om de signalen van deze twee fotodiodes ontvangen, en verplaats de vertraging het podium op de pomp pols stralengang tot de probestanden van de pomppuls en de probe puls overlappen elkaar op de oscilloscoop scherm. Een nauwkeurigheid van 20 ps is vanwege bereikt om de temporele resolutie van de oscilloscoop.
- Verwijder de bundeldeler en de twee fotodiodes als vermeld in stap 2.1.
- Stel de vertraging podium op de pomppuls stralengang tot de lucht afbraak regio kan alleen worden waargenomen op de ICCD scherm. De tijd waarin de vorming van lucht verdeling kan in plaats gevonden van een uniforme achtergrond bepaald vertragingstijd nul.
3. Steekproef en Voorbereiding Fase
- Het opzetten van een lab-aansluiting en twee handmatige lineaire fasen verloopt, zodat het monster bewegen met drie graden van vrijheid.
- Gebruik een meetklok en hoge precisie vulplaten om een hoge vlakheid van de etappes te bereiken. Het hoogteverschil moet binnen 1 pm per een afstand van 25,4 mm.
- Snij een vierkant stuk (30 mm x 30 mm) uit een Cu met een dikte van 0,8 mm met een freesmachine.
- Pools een smalle zijde (30 mm x 0,8 mm) van de Cu stuk tot de oppervlakteruwheid minder dan 0,5 pm.
- Bevestig de Cu stuk op de bovenkant handleiding podium met de gepolijste smalle naar boven.
- Beweeg het doel met een handmatige fase zoals in stap 3.1), terwijl de te monitoren via ICCD camera zodat elke helling kan worden ingesteld door het inbrengen precisie vulplaatjes onder het doel.
- Herhaal stap 3.6 met de andere hand het podium.
- Boor een tiental gaten het doel terwijl variëren de positie van de brandpuntsafstand van een derde hoge nauwkeurigheid hand fase. Het knooppunt plaats correspondeert met de positie van de brandpuntsafstand waar de kleinste gat geboord.
4. Ablation en waardering
- Beweeg de brandpuntsafstand tot op een afstand van ongeveer 50 pm vanaf het brandpunt.
- Verplaats de vertraging podium op de sonde pols stralengang met een interval van 0,3 mm op de afbeelding om de 2 ps vast te leggen tot 10 ps, ofmet een interval van 3 mm op de afbeelding om de 20 ps vast te leggen tot en met 480 ps.
- Herhaal stap 4.2 voor een paar keer voor de herhaalbaarheid en nauwkeurigheid.
- Beweeg de brandpuntsafstand tot een afstand van ongeveer 50 pm afstand van het middelpunt, en herhaal stap 4.3.
5. Representatieve resultaten
De gemeten röntgenfoto's worden in Fig. 2 Fig. 3 voor het brandpunt iets boven en onder het doeloppervlak respectievelijk. De langs-en radiale expansie posities weergegeven in Fig. 4 en Fig. 5. De longitudinale uitbreidingen van deze twee gevallen in de eerste 100 ps zijn significant verschillend, maar hun lengte-uitbreidingen in de volgende 400 ps en de radiale uitbreidingen zijn vergelijkbaar. Voor het eerste geval de eerste plasma in 100 ps een een-dimensionale groei structuur bestaande uit meerdere lagen. Voor het tweede geval de eerste plAsma heeft een twee-dimensionale expansie structuur die niet erg veel veranderen binnen 100 ps.
Het simulatiemodel 12 wordt gebruikt om het mechanisme van vroege ontwikkeling plasma te onderzoeken. Tijd nul is gedefinieerd als de tijd waarin de laserimpuls piek het doeloppervlak bereikt. De gesimuleerde eerste plasma ontwikkeling processen komen goed overeen met de meetresultaten van beide twee gevallen, zoals in Fig. 6 en Fig. 7, respectievelijk. De vorming van de eerste plasma in een ps ook voorspeld voor het eerste geval met de simulatiemodel en Fig. 8. De eerste plasma blijkt een lucht verdeling regio en een Cu plasma regio. De lucht afbraak wordt eerst veroorzaakt door multi-foton ionisatie en dan gevolgd door lawine ionisatie. Voor de tweede geval, het brandpunt onder het doeloppervlak en geen aparte lucht verdeling gebied wordt gevormd. In plaats daarvan lucht ionisatie optreedt nabij het Cu plasma voor en wordt veroorzaakt door de impact ionisatie vanwege de vrije elektronen uitgeworpen uit de Cu doel.
Figuur 1. Schematische weergave van de pump-probe röntgenfoto meting.
Figuur 2. Cu plasma expansie in opeenvolgende vertragingstijden met het brandpunt iets boven het oppervlak. Laser golflengte: 800 nm; pulsduur: 100 fs; vermogensdichtheid: 4,2 × 10 14 W / cm 2, doelgroep: Cu.
Figuur 3. Cu plasma-expansie in opeenvolgende vertragingstijden met het centrale punt iets onder het oppervlak. Laser golflengte: 800 nm; pulsduur: 100 fs; vermogensdichtheid: 4,2 × 10 14 W / cm 2, doelgroep: Cu.
<img alt = "Figuur 4" src = "/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg" />
Figuur 4. Plasma longitudinale en radiale uitbreiding van functies bij de opeenvolgende vertragingstijden met het brandpunt iets boven het oppervlak. Laser golflengte: 800 nm; pulsduur: 100 fs; vermogensdichtheid: 4,2 × 10 14 W / cm 2, doelgroep: Cu.
Figuur 5. Plasma longitudinale en radiale uitbreiding van functies bij de opeenvolgende vertragingstijden met het centrale punt iets onder het oppervlak. Laser golflengte: 800 nm; pulsduur: 100 fs; vermogensdichtheid: 4,2 × 10 14 W / cm 2, doelgroep: Cu.
Figuur 6. Animatie van gemeten en berekende plasma-expansie binnen een vertragingstijd van 70 ps met het brandpunt iets boven het oppervlak. Laser golflengte: 800 nm; pulsduur: 100 fs; vermogensdichtheid: 4,2 × 10 14 2, doelgroep: Cu. Klik hier om de animatie te bekijken .
Figuur 7. Animatie van gemeten en berekende plasma-expansie binnen een vertragingstijd van 70 ps met het centrale punt iets onder het oppervlak. Laser golflengte: 800 nm; pulsduur: 100 fs; vermogensdichtheid: 4,2 × 10 14 W / cm 2, doelgroep: Cu. Klik hier om de animatie te bekijken .
Figuur 8. Animatie van gemeten en berekende plasma-expansie binnen een vertragingstijd van 1 ps met het brandpunt iets boven het oppervlak. Laser golflengte: 800 nm; pulsduur: 100 fs; vermogensdichtheid: 4,2 × 10 14 W / cm 2, doelgroep:. Cu Klik hier om de animatie te bekijken </ A>.
Discussion
De meting en simulatie methoden die in dit document kan nauwkeuriger onderzoek van het begin van de plasma-dynamiek en een beter begrip van de ionisatie-mechanismen voor zowel lucht-en Cu. Hoge kwaliteit plasma structuren die worden gevangen met een temporele resolutie van 1 ps en een ruimtelijke resolutie van 1 micrometer. Deze meting heeft een hoge herhaalbaarheid ook. De kritische procedure is het gericht kan zeer goed en een trefvlak te bereiden met een hoge vlakheid en een lage ruwheid.
Deze benadering kan worden toegepast op andere doelstelling materialen en verschillende laser parameters. De enige beperking van de pump-probe röntgenfoto methode is een te laag aantal elektronen dichtheid variatie.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
De auteurs willen dankbaar erkennen de financiële ondersteuning voor dit onderzoek door de National Science Foundation (Grant No: CMMI-0653578, cbet-0853890).
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).
