Yöntem makalesi

Erken Plazma Evrim Araştırılması ultrashort Lazer Bakliyat Bağlı

17K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/4033

⸱

2 Temmuz 2012

 ,  , 
1Mechanical Engineering, Purdue University

Bu makalede

Özet

Ultrashort lazer darbeleri ile tetiklenen erken plazma evrimini incelemek için deneysel bir yöntem tarif edilmiştir. Bu yöntemi kullanarak, erken plazma yüksek kaliteli görüntüler yüksek zamansal ve mekansal çözünürlüklerde elde edilir. Bir romanı entegre atomistik modelin erken plazma mekanizmaları taklit ve açıklamak için kullanılır.

Özet

Erken plazma hedef yüksek yoğunluklu lazer ışını ve daha sonra hedef malzeme iyonizasyon sayesinde oluşturulmaktadır. Onun dinamikleri, özellikle hava ortamında 1-11 yılında, lazer-malzeme etkileşim önemli bir rol oynar.

Erken plazma evrim pompa-sonda shadowgraphy 1-3 ve interferometri 1,4-7 aracılığıyla esir olmuştur. Bununla birlikte, çalışma zaman dilimleri ile uygulanan laser parametre aralıklarını sınırlıdır. Örneğin, lazer darbeli zirve ile ilgili olarak 100 pikosaniye (PS) bir gecikme süresinden sonra plazma önünde yer numarası ve elektron yoğunluğu doğrudan incelemeler, özellikle 100 femtosecond etrafında bir süre ultrashort puls (FS) için, yine çok azdır ve 10 14 W / cm 2 civarında düşük güç yoğunluğu. Bu koşullar altında elde Erken plazma sadece yüksek zamansal ve mekansal çözünürlüklerde 12 ile son zamanlarda esir olmuştur. Ayrıntılı kurulum stratejisi veBu yüksek hassasiyetli ölçüm prosedürler bu yazıda tarif edilecektir. Ölçüm mantığı optik pompa-sonda shadowgraphy şudur: aralarındaki gecikme zamanı kendi ışın yolu uzunlukları değiştirilerek ayarlanabilir iken bir ultrashort lazer darbe, bir pompa nabız ve bir sonda darbe bölünür. Pompa darbe hedef ablates ve erken plazma oluşturur ve prob darbe plazma bölge üzerinden yayılırlar ve elektron sayı yoğunluğu olmayan tekdüzelik algılar. Ayrıca, animasyonlar Ref simülasyon modeli hesaplanan sonuçlar kullanılarak üretilir. 12 çok yüksek bir çözünürlük (0.04 ~ 1 ps) ile plazma oluşumu ve evrimi göstermek için.

Deney yöntemi ve simülasyon yöntem hem zaman dilimleri ve lazer parametreleri, geniş bir aralık uygulanabilir. Bu yöntemler, metallerden, fakat, aynı zamanda yarı iletken ve izolatörleri den sadece oluşturulan erken plazma incelemek için kullanılabilir.

Protokol

1. Optik Sistem Kurulumu (Şekil 1)

  1. Bir yarım dalga plakası ve lazer atış enerjisi ayarlamak için lazer çıkışı izleyen bir polarize ayarlayın.
  2. Pompa nabız ve prob darbe: iki pulse lazer darbe bölmek için polarize sonra bir demeti splitter kurun.
  3. Pompa darbe için bir optik gecikme aracı inşa etmek için dört yansıtan aynalar ve manuel translasyonel sahne kullanın.
  4. Dikey hedef yüzey ulaşmak için pompa darbe rehberlik başka dört yansıtan ayna kullanın.
  5. 800 nm ile 400 nm dalga boyunda lazer sinyali dönüştürmek için ikinci bir harmonik üreteci (SHG) ayarlayın.
  6. 800-nm darbe iletimi ve 400 nm darbe yansıtmak için harmonik bir ayırıcı kullanılır.
  7. Bir kiriş azaltıcı ve prob puls büyüklüğü ve konverjans ayarlamak için fokal lensler bir çift ayarlayın.
  8. Prob darbe gibi Adım 1.3 'de belirtilen başka bir optik gecikme aracı, ayarlayın.
  9. Alanında ayarlamak için bir İris halkası kullanınprob nabız ve prob darbe yatay hedef yüzey geçmek ve pompa darbe ile kesişir emin olun.
  10. Yoğun şarj kuplajlı cihaz (ICCD) kamera tarafından alınacak plazma bölgenin görüntü oluşturmak için iki objektif lens ve çeşitli filtreler ayarlama.
  11. Bilgisayar, lazer, ICCD kamera ve BNC kablo veya USB kablosu kullanarak denetleyici bağlayın.
  12. Kamera prob darbe bir görüntü yakalar kadar kamera kontrol gecikme süresini ayarlayın. Böylece, prob nabız ve kamera eşitlenir.

2. Pompa-probe Senkronizasyon

  1. Pompa nabız ve prob darbe kesiştiği bir ışın ayırıcı yerleştirin ve bu iki darbe almak için iki fotodiyotlar kurmak. Bu iki fotodiyotlar uzak demeti splitter bir aynı mesafede olmalıdır.
  2. Bu iki fotodiyotlara sinyalleri almak için bir osiloskop kullanın ve pro kadar pompa darbe ışın yolu üzerindeki gecikme sahne hareketPompa nabız ve prob darbe dosyaları osiloskop ekranından birbirleri ile örtüşmektedir. 20 ps bir doğruluk osiloskop temporal çözünürlük sayesinde elde edilir.
  3. Demeti splitter ve gibi Adım 2.1 'de belirtilen iki fotodiyotlar çıkarın.
  4. Hava dökümü bölgede sadece ICCD ekranda görülebiliyor kadar pompa darbe ışın yolu üzerindeki gecikme sahne ayarlayın. Hava arıza oluşumu düzgün bir arka plan yerine tespit edilebilir gecikme zamanı sıfır olarak belirlenmiştir.

3. Numune ve Sahne Hazırlama

  1. Özgürlük üç derece ile örnek hareket için bir laboratuar-jack ve iki doğrusal kılavuzu aşamada ayarlayın.
  2. Aşamalarında yüksek bir düzlük elde etmek için bir kadran göstergesi ve yüksek hassasiyetli levhaları kullanın. Yükseklik farkı 25.4 mm'lik bir mesafe başına 1 mikron arasında olmalıdır.
  3. Bir freze ile 0.8 mm kalınlığında bir bakır levha dışında bir kare parçası (30 mm x 30 mm) Cutmakine.
  4. Yüzey pürüzlülüğü altında 0,5 mikron kadar Cu parçasının dar tarafı (30 mm x 0,8 mm) parlatın.
  5. Cilalı dar yüzü ile üst manuel sahnede Cu parça Fix.
  6. Herhangi bir eğim hedefin altında yüksek hassasiyet şim ekleyerek ayarlanabilmektedir böyle ICCD kamera ile konumunu izlemek ise Adım 3.1) da belirttiğim gibi tek elle aşama hedef taşıyın.
  7. Diğer manuel sahne ile Adım 3.6 tekrarlayın.
  8. Üçüncü bir yüksek doğruluk manuel aşama odak lens pozisyonu değişir iken hedef delik bir düzine delin. Odak noktası konumu küçük delik delinmiştir edilir merceğin odak konumuna karşılık gelir.

4. Ablasyon ve Ölçme

  1. Kadar uzakta odak noktasından yaklaşık 50 um bir mesafe odaklı lens taşıyın.
  2. Ya, 10 ps kadar görüntü her 2 ps yakalamak için 0,3 mm ara ile prob darbe ışın yolu üzerindeki gecikme sahne taşıyın480 ps kadar görüntü her 20 ps yakalamak için 3 mm ara ile.
  3. Tekrarlanabilirlik ve doğruluk için birkaç kez Adım 4.2 tekrarlayın.
  4. Uzaklıkta odak noktasından yaklaşık 50 mikron mesafeye odak lensi aşağı taşıma ve Adım 4.3 tekrarlayın.

5.. Temsilcisi Sonuçlar

Ölçülen shadowgraph görüntü şekil gösterilmektedir. 2 ve Şek. 3, sırasıyla, hafif hedef yüzey üstünde ve altında odak noktası için. Longitudinal ve radyal genişleme pozisyonları Şekil çizilir. 4 ve Şek. 5.. İlk 100 PS, bu durumda iki uzunlamasına açılımlar önemli ölçüde farklı olan, ancak aşağıdaki 400 PS ve radyal açılımlar kendi uzunlamasına açılımlar benzerdir. İlk durumda, 100 PS içinde erken plazma birden fazla katmandan oluşan tek boyutlu bir genişletme bir yapıya sahiptir. İkinci durumda, erken pl içinasma 100 ps içinde çok fazla değişmez iki boyutlu bir genişleme yapısı vardır.

Simülasyon modeli 12 erken plazma evrim mekanizması araştırmak için kullanılır. Zaman sıfır lazer darbeli pik hedef yüzey ulaştığı zaman olarak tanımlanmaktadır. Şekil olarak simüle erken plazma gelişim süreçleri, bu iki olgunun her iki ölçüm sonuçları ile de katılıyorum. 6 ve Şek. Sırasıyla, 7,. 1 PS içinde erken plazma oluşumunu da simülasyon modeli kullanılarak ilk durum için öngörülen ve Şek. 8. Erken bir hava plazma dökümü bölge ve bir Cu plazma bölgeye sahip olduğu tespit edilmektedir. Hava dökümü ilk multi-foton iyonizasyon neden ve sonra çığ iyonizasyon takip eder. İkinci durumda, bununla birlikte, odak noktasının altında hedef yüzey ve ayrı bir hava dökümü bölgesi oluşturulur. Bunun yerine, hava iyonlaşma Cu pla yakın oluşursma ön ve Cu hedef salınan serbest elektron etkisi nedeniyle iyonizasyon neden olur.

figure-protocol-1
Şekil 1. Pompa-sonda shadowgraph ölçümü şematik.

figure-protocol-2
Biraz yüzey üzerinde odak noktasına sahip ardışık gecikme süreleri de Şekil 2. Cu plazma genişlemesi. Lazer dalga boyu: 800 nm; darbe süresi: 100 fs; güç yoğunluğu: 4.2 × 10 14 W / cm 2; hedef: Cu.

figure-protocol-3
Biraz yüzeyin altında odak noktasına sahip ardışık gecikme süreleri de Şekil 3. Cu plazma genişlemesi. Lazer dalga boyu: 800 nm; darbe süresi: 100 fs; güç yoğunluğu: 4.2 × 10 14 W / cm 2; hedef: Cu.

figure-protocol-4
Şekil 4. Plazma uzunlamasına ve hafif yüzey üzerinde odak noktasına sahip ardışık gecikme zamanlarda radyal genleşme pozisyonları. Lazer dalga boyu: 800 nm; darbe süresi: 100 fs; güç yoğunluğu: 4.2 × 10 14 W / cm 2; hedef: Cu.

figure-protocol-5
Şekil 5. Biraz yüzeyin altında odak noktasına sahip ardışık gecikme zamanlarda Plazma boyuna ve radyal genişleme pozisyonları. Lazer dalga boyu: 800 nm; darbe süresi: 100 fs; güç yoğunluğu: 4.2 × 10 14 W / cm 2; hedef: Cu.

Şekil 6. Biraz yüzeyinden odak noktasına sahip 70 ps bir gecikme süresi içinde ölçülen ve hesaplanan plazma genişleme Animasyon. Lazer dalga boyu: 800 nm; darbe süresi: 100 fs; güç yoğunluğu: 4.2 × 10 14 W / cm 2; hedef: Cu. animasyonu görmek için buraya tıklayın .

Şekil 7. Biraz yüzeyin altında odak noktasına sahip 70 ps bir gecikme süresi içinde ölçülen ve hesaplanan plazma genişleme Animasyon. Lazer dalga boyu: 800 nm; darbe süresi: 100 fs; güç yoğunluğu: 4.2 × 10 14 W / cm 2; hedef: Cu. animasyonu görmek için buraya tıklayın .

Şekil 8. Biraz yüzeyinden odak noktasına sahip 1 ps bir gecikme süresi içinde ölçülen ve hesaplanan plazma genişleme Animasyon. Lazer dalga boyu: 800 nm; darbe süresi: 100 fs; güç yoğunluğu: 4.2 × 10 14 W / cm 2; hedef:. Cu animasyonu görmek için buraya tıklayın </ A>.

Tartışma

Bu yazıda sunulan ölçüm ve simülasyon yöntemleri erken plazma dinamikleri ve hava ve hem Cu için iyonlaşma mekanizmaların daha iyi anlaşılması daha doğru sınavları etkinleştirin. Yüksek kalitede plazma yapılar 1 ps ve 1 mikron mekansal çözünürlükte bir zamansal çözünürlüğe sahip yakalanır. Bu ölçüm çok yüksek bir tekrarlanabilirlik sahiptir. Kritik prosedürü çok iyi ışını hizalamak ve yüksek bir düzlemsellik gibi bir düşük pürüzlülüğü sahip bir hedef yüzey hazırlamaktır.

Bu yaklaşım, diğer hedef malzeme ve çeşitli parametreleri laser uygulanabilir. Pompa-sonda shadowgraph yöntemin tek sınırlaması çok düşük bir elektron sayı yoğunluğu çeşididir.

Açıklamalar

Çıkar çatışması ilan etti.

Teşekkürler

Yazarlar minnetle Ulusal Bilim Vakfı (: CMMI-0.653.578, CBET-0.853.890 Hibe Hayır) tarafından bu çalışma için sağlanan mali destek dolayı teşekkür etmek istiyoruz.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Ekipman Adı Şirket Katalog numarası
Lazer Spectra-Fizik SPTF-100F-1K-1P
ICCD Kamera Princeton Aletleri 7467-0028
Osiloskop Rigol DS1302CA
Fotodiyot Newport 818-BB30
Doğrusal sahne Newport 433
Göstergesi Dial Mitutoyo ID-C112E

Kaynaklar

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Mao, S. S., Mao, X., Greif, R., Russo, R. E. Simulation of a picosecond laser ablation plasma. Appl. Phys. Lett. 76, 3370-3372 (2000).
  9. Chen, Z., Mao, S. S. Femtosecond laser-induced electronic plasma at metal surface. Appl. Phys. Lett. 93, 051506.1-051506.3 (2008).
  10. 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).
  11. Dausinger, F., Hügel, H., Konov, V. Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications. Proc. SPIE. 5147, 106-115 (2003).
  12. 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).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Pompa Prob G lgegrafisiOptik Geciktirme CihazElektron Say Yo unlu uPlazma Cephesi KonumuG lge Grafi G r nt lemeICCD Kamera Alg lamaI n Ay r c SenkronizasyonuNumune Y zey Haz rlama

İlgili makaleler