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Engineering

Entrega automatizada de objetivos microfabricados para experimentos de irradiación láser intensa

Published: January 28, 2021 doi: 10.3791/61056
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, 2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction

ERRATUM NOTICE

Summary

Se presenta un protocolo para la irradiación automatizada de láminas de oro delgadas con pulsos láser de alta intensidad. El protocolo incluye una descripción paso a paso del proceso de fabricación de objetivos de micromecanizado y una guía detallada de cómo se llevan los objetivos al enfoque del láser a una velocidad de 0,2 Hz.

Abstract

Descrito es un procedimiento experimental que permite la irradiación láser de alta potencia de objetivos microfabricados. Los objetivos son llevados al enfoque láser mediante un bucle de retroalimentación cerrado que opera entre el manipulador de destino y un sensor de rango. El proceso de fabricación de destino se explica en detalle. Se dan resultados representativos de haces de protones a nivel MeV generados por irradiación de láminas de oro de 600 nm de espesor a una velocidad de 0,2 Hz. El método se compara con otros sistemas de objetivos reabastecidos y se discuten las perspectivas de aumentar las tasas de disparos por encima de 10 Hz.

Introduction

La irradiación láser de alta intensidad de objetivos sólidos genera múltiples formas de radiación. Uno de ellos es la emisión de iones energéticos con energías en el nivel1de Mega electron-volt (MeV). Una fuente compacta de iones MeV tiene potencial para muchas aplicaciones, tales como protones de encendido rápido2,radiografía de protones3,radioterapia iónica4y generación de neutrones5.

Un desafío importante para hacer que la aceleración de iones láser sea práctica es la capacidad de posicionar objetivos a escala de micrómetros con precisión dentro del foco del láser a una alta velocidad. Se desarrollaron pocas tecnologías de entrega objetivo para responder a este desafío. Los más comunes son los sistemas de destino basados en cintas gruesas a escala de micrómetros. Estos objetivos son fáciles de reponer y pueden colocarse fácilmente dentro del foco del láser. El objetivo de la cinta se ha hecho usando cintas VHS6,cobre7,Mylar y Kapton8. El sistema de accionamiento de cinta consiste típicamente en dos bobinas motorizadas para enrollar y desenrollar y dos pasadores verticales colocados entre ellos para mantener la cinta en la posición9. La precisión en el posicionamiento de la superficie de la cinta suele ser menor que la gama Rayleigh de la viga de enfoque. Otro tipo de objetivo láser reponeble son las láminas líquidas10. Estos objetivos se entregan rápidamente a la región de interacción e introducen una cantidad muy baja de escombros. Este sistema comprende una bomba de jeringa de alta presión suministrada continuamente con líquido de un depósito. Recientemente, se establecieron nuevos chorros criogénicos de hidrógeno11 como medios para ofrecer objetivos ultrafinos, bajos en escombros y reabastecidos.

El principal inconveniente de todos estos sistemas de destino reponebles es la elección limitada de materiales y geometrías objetivo, que están dictados por requisitos mecánicos como la resistencia, la viscosidad y la temperatura de fusión.

Aquí, se describe un sistema capaz de llevar objetivos micromámetrales al foco de un láser de alta intensidad a una velocidad de 0,2 Hz. Micromachining ofrece una amplia selección de materiales de destino en geometrías versátiles12. El posicionamiento de destino se realiza mediante una retroalimentación de bucle cerrado entre un sensor de desplazamiento comercial y un manipulador motorizado.

El sistema de entrega objetivo se probó utilizando un sistema láser de 20 TW de alto contraste que proporciona pulsos láser de 25 fs de largo con 500 mJ en el objetivo. Una revisión de la arquitectura del sistema láser se da en Porat et al.13, y una descripción técnica del sistema de destino se da en Gershuni et al.14. Este documento presenta un método detallado para hacer y utilizar este tipo de sistema y muestra resultados representativos de la aceleración de iones láser a partir de objetivos de láminas de oro ultrafino.

El espectrómetro de iones Thomson Parabola (TPIS)15,16 mostrado en la Figura 1 se utilizó para registrar los espectros de energía de los iones emitidos. En un TPIS, los iones acelerados pasan a través de campos eléctricos y magnéticos paralelos, lo que los coloca en trayectorias parabólicas en el plano focal. La curvatura parabólica depende de la relación carga-masa del ion, y la ubicación a lo largo de la trayectoria se establece por la energía del ion.

Una placa de imagen BAS-TR (IP)17 colocada en el plano focal del TPIS registra los iones que imping. La IP se adjunta a una alimentación mecánica para permitir la traducción a un área fresca antes de cada toma.

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Protocol

1. Fabricación de objetivos

NOTA: La Figura 2 y la Figura 3 ilustran el proceso de fabricación de láminas de oro independientes.

  1. Reverso
    1. Utilice una oblea de silicio de alta tensión de 250 mm de espesor y 100 mm de diámetro en una formación de cristal <100>, recubierta en ambos lados con nitruro de silicio.
    2. Limpie la oblea con acetona seguida de isopropanol y seque con nitrógeno.  A continuación, gire la capa de una capa de HMDS para formar una capa adhesiva siguiendo los pasos descritos en la Tabla 1.
    3. Gire la oblea con una capa fotorresista AZ1518 siguiendo los pasos descritos en el Cuadro 2.
    4. Hornee la oblea a 100 oC durante 1 min, luego déjela enfriar.
    5. Fotolitografía de 1.000 m x 1.000 m de aberturas cuadradas al vacío, exponiendo la oblea en 1 ciclo de 4 a 7 segundos a una lámpara UV de 400 nm. La oblea está expuesta a una fluidez general de 40 J/cm2. Utilice un desarrollador AZ726K para exponer el nitruro de silicio y un baño de agua deshidratada para detener el proceso.
    6. Utilice Reactive Ion Etcher (RIE) para eliminar el nitruro de silicio en la ubicación de los cuadrados.
    7. Utilice un baño de N-metil-2-pirrolidona (NMP) durante 20 minutos para eliminar la resistencia residual y fotorresistente, produciendo una réplica de la máscara en la capa de nitruro de silicio. Lave la oblea con agua dulce y séquela con nitrógeno.
    8. Sumerja la oblea en una solución de hidróxido de potasio de 30%, 90 oC, para grabar el silicio a través de las aberturas cuadradas. Sumerja la oblea durante 40 minutos por cada 50 m de silicio que necesita ser grabado. Debido a que la velocidad de grabado en el plano <100> es mucho mayor que en otros, el hidróxido de potasio alcanza la capa inferior de nitruro de silicio a través del volumen de silicio antes de grabar cualquier profundidad significativa en la máscara de nitruro de silicio.
  2. Lado frontal
    1. Para el lado frontal, repita los pasos 1.1.1–1.1.6 con una máscara en forma de tres anillos concéntricos.
    2. Utilice RIE para eliminar el nitruro de silicio donde se encuentran los anillos, seguido de un baño NMP para eliminar las sobras de resistencia y fotorresiste.
    3. Por último, para ásperar los anillos de silicio, hundir la oblea en ácido nítrico y en una solución de nitrato de plata de 0,02 M y fluoruro de hidrógeno de 4 M.
    4. En el lado grabado de la oblea, utilice una máquina de deposición de vapor físico (PVD)18 para pulverizar una capa de unos pocos cientos de nanómetros de oro encima de una película delgada de 10 nm de titanio adhesivo, níquel o cromo. La capa de oro pulverizada se convertirá en el objetivo de membrana independiente.

2. Alineación

NOTA: La Figura 4 muestra la configuración de irradiación de destino.

  1. Lleve a la vista un primer objetivo elegido arbitrariamente bajo un microscopio de aumento de 100x.
  2. Apunte un sensor de rango de triangulación (por ejemplo, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)19 al anillo rugoso más cercano al objetivo, y registre su lectura de desplazamiento.
    NOTA: El modelo de sensor de rango utilizado no está diseñado para aplicaciones de alto vacío. Diferentes modelos, como el MTI-2100 del mismo proveedor, son compatibles con aplicaciones de baja emisión de gases.
  3. Mientras deja el microscopio en su lugar, mueva la oblea a una distancia conocida para despejar la trayectoria del haz.
  4. Usando dos espejos plegables y el espejo parabólico fuera del eje (OAP), alinee el haz en baja potencia en el campo de visión del microscopio.
  5. Ajuste estos tres espejos para corregir astigmatismos en la viga. El resultado debe ser un punto focal casi limitado por difracción.
  6. Bloquee el rayo láser y vuelva a poner el objetivo en el foco del microscopio. Valide su posición utilizando el microscopio y la lectura del sensor de rango.
  7. Mueva el microscopio a una posición en la que se mantendrá a salvo de la luz láser y los desechos.

3. Secuencia de irradiación y posicionamiento automatizado del objetivo

  1. Implemente una retroalimentación de bucle cerrado entre el manipulador del eje focal del objetivo y la lectura del sensor de desplazamiento mediante software. Utilice el valor registrado del paso de protocolo 2.2 como punto de consigna. La secuencia de control principal de PID20, preparada con LabView, se muestra en la Figura 5.
  2. Una vez que el posicionamiento de bucle cerrado haya alcanzado la distancia de tolerancia deseada desde el punto de consigna, irradiar el objetivo con un solo pulso láser de alta potencia.
  3. Traduzca la IP utilizando la alimentación mecánica a una nueva posición.
  4. Repita la secuencia de irradiación con el siguiente objetivo puesto en foco por el software.

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Representative Results

Este sistema de entrega objetivo se empleó para acelerar los iones desde la parte posterior de las láminas de oro de 600 nm de espesor. Cuando se irradian con una intensidad láser normalizada de un0 x 5,6, estos iones fueron acelerados por el mecanismo de aceleración de vaina normal (TNSA) objetivo21. En TNSA, la luz de menor intensidad que precedió al pulso láser principal ionizó la superficie frontal de la lámina objetivo. La fuerza ponderomotiva ejercida por el pulso láser principal llevó electrones calientes a través de la materia a granel. Una separación de carga en la superficie posterior, inducida por estos electrones22,creó un gradiente electrostático extremo que aceleró los contaminantes iónicos en la dirección normal del objetivo.

En la Figura 6se muestra una serie temporal del desplazamiento de destino a lo largo del eje focal. Los valores son relativos al punto de consigna de la posición focal. Los puntos verdes indican cuándo el desplazamiento de destino estaba dentro de un valor de tolerancia de 1 m desde el punto de consigna; esto es cuando se tomó una inyección láser.

La Figura 7 muestra trazas TPIS de 14 irradiaciones consecutivas de objetivos de láminas de oro de 600 nm de espesor. El espectro de energía derivado de estas trazas se muestra en la Figura 8. La estabilidad pico a pico de la energía máxima de protones está dentro del 10%.

Figure 1
Figura 1: Un diseño técnico del espectrómetro de iones de parábola Thomson. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Un boceto esquemático de la oblea de destino.
La parte frontal, que muestra 300 objetivos de lámina de oro ordenados en tres anillos concéntricos (izquierda). La parte posterior, que muestra los anillos fiduciarios rugosos situados entre las ubicaciones de la lámina objetivo (derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Una ilustración del proceso de fabricación de obleas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Un diseño esquemático (izquierda) y una foto (derecha) de la cámara de interacción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Posicionamiento de destino Código PID LabView (VI). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Desplazamiento objetivo durante una secuencia de disparo de 20 objetivos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: TPIS traza de 14 disparos consecutivos. Se ilustran las trayectorias de los iones y los rayos X que pasan a través del TPIS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8: Espectros de energía de iones derivados de las 14 trazas que se muestran en la Figura 7. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9: Un rastro TPIS registrado utilizando una imagen CCD de bajo rango dinámico de un centelleador CsI(TI). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Paso [rps] rampa [rps2] Duración [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabla 1: Resista los pasos de la capa de centrifugado.

Paso [rps] rampa [rps2] Duración [s]
1 500 500 10
2 4000 1000 45
3 0 1000 0

Tabla 2: Pasos fotorresistetistas de la capa de espín.

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Discussion

Con algunas variaciones, el proceso de fabricación objetivo descrito en este protocolo es común (por ejemplo, Zaffino et al.23). Aquí, un paso único que es crítico para el funcionamiento del posicionamiento automático es la adición de rugoso a escala de nanómetros en áreas en forma de anillo en la parte posterior de la oblea (paso 1.2.3). El propósito de este paso es aumentar la dispersión difusa del incidente de luz en la oblea en esas áreas. El sensor de rango brilla un rayo láser de baja potencia en la oblea, recoge la luz dispersa y determina su desplazamiento por triangulación.

Los datos mostrados anteriormente se tomaron a una velocidad de un disparo por 5 s, siendo el factor de limitación de velocidad el tiempo de traducción de la IP. Aquí se muestra un resultado preliminar de un método de lectura en línea simple y económico que aumentará el ciclo de trabajo de disparo. Las lecturas en línea se han realizado tradicionalmente utilizando placas de microcanal24 o centelleantes de plástico25,26. En este último caso, se requería un CCD cerrado costoso e intensificado por imágenes para registrar la cantidad relativamente baja de luz de centelleo. El sistema actual utiliza un sistema de lectura más simple basado en un material centelleador diferente, Csl(Tl), que es lo suficientemente brillante como para ser registrado con un CCD barato y de bajo rango dinámico. Esta elección de centelleador ha sido sugerida y discutida por Pappalardo et al.27.

La Figura 9 muestra una imagen de muestra de un seguimiento TPIS tomado con una imagen CCD de rango dinámico bajo de una pantalla centellente Csl(Tl). Estos rastros fueron tomados con una abertura relativamente grande, para producir una gran cantidad de luz de centelleo. Se requiere un estudio adicional para identificar los ajustes óptimos en términos de relación señal-ruido y resolución de energía.

La imagen que se muestra en la Figura 8 fue adquirida usando una cámara de 1,6 megapíxeles. A una velocidad de 10 Hz y una profundidad de píxeles de 8 bits, el flujo de datos ascendería a unos 130 Mbps. Esta velocidad de datos es compatible con una interfaz de comunicación USB3 o GigE.

La estabilidad mecánica de cualquier sistema de entrega objetivo láser reponeble puede verse comprometida por una mayor tasa de entrega o por el mayor impacto inducido por pulsos láser de mayor energía. En el Cuadro 3 se presenta una comparación entre este trabajo y otras tecnologías de entrega de objetivos. El rendimiento de este sistema a tasas de disparo más altas y pulsos de energía más altos se investigará en un futuro próximo.

Referencia Tipo de destino Materiales Grueso Tasa de repetición Energía láser
[6] Cinta Mylar 15 m 0,2 Hz 5 J
[10] Hoja líquida Ethelyne Glycol 0,4 m 1 kHz 0.011 J
[11] Chorro de hidrógeno H2 20 m 1 Hz 600 J
Este trabajo Lámina Au micromecanizada Au 0,6 m 0,2 Hz 0,5 J

Tabla 3: Comparación de diferentes tipos de destino.

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Disclosures

Los autores no tienen intereses financieros en competencia.

Acknowledgments

Este trabajo ha sido apoyado por la Fundación De Ciencias de Israel, la subvención No. 1135/15 y por el Programa de Liderazgo Zuckerman STEM, Israel, que son reconocidos con gratitud. También reconocemos el apoyo de la Fundación Pazy, la subvención de Israel #27707241 y la subvención NSF-BSF No 01025495. Los autores quieren reconocer amablemente al Centro Universitario de Nanociencia y Nanotecnología de Tel Aviv

Materials

Name Company Catalog Number Comments
76.2 x 127mm EFL 90° Protected Gold 100Å Off-Axis Parabolic Mirror Edmund optics 35-535
MicroTrak 3 LTS 120-20 MTI Instruments
Ultrafast high power dielectric mirrors for 800 nm Thorlabs

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References

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Ingeniería número 167 láser de alta intensidad irradiación de lámina delgada aceleración iónica protones MeV fabricación de objetivos láser posicionamiento de objetivos

Erratum

Formal Correction: Erratum: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments
Posted by JoVE Editors on 04/16/2021. Citeable Link.

An erratum was issued for: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments. The author list was updated.

The author list was updated from:

Yonatan Gershuni1,2, Michal Elkind1,2, Itamar Cohen1,2, Aviad Tsabary1,2, Deep Sarkar1,2, Ishay Pomerantz1,2
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University,
2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction

to:

Yonatan Gershuni1,2, Michal Elkind1,2, Dolev Roitman1,2, Itamar Cohen1,2, Aviad Tsabary1,2, Deep Sarkar1,2, Ishay Pomerantz1,2
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University,
2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction

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Gershuni, Y., Elkind, M., Roitman, D., Cohen, I., Tsabary, A., Sarkar, D., Pomerantz, I. Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments. J. Vis. Exp. (167), e61056, doi:10.3791/61056 (2021).

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