Erken Plazma Evrim Araştırılması ultrashort Lazer Bakliyat Bağlı

Bu deneyin amacı, ultra kısa lazer darbelerinin indüklediği erken plazma evrimini yüksek zamansal ve mekansal çözünürlüklerle incelemektir. Bu, bir ultra kısa lazer darbesinin pompalama darbesi ve prob darbesine ayrıldığı bir optik sistem kurularak gerçekleştirilir. İkinci bir adım olarak.

Pompa darbesi ve prob darbesi senkronize edilerek optik geciktirme cihazı için sıfır gecikme süresi sağlanır. Ardından, numune üst yüzeyinde yüksek düzlük elde etmek ve numune üst yüzeyini prob darbesine paralel hale getirmek için numune ve tabla hazırlanır. Sonrasında, odak noktaları hedefin hafifçe üzerinde ve altında olacak şekilde ablasyon gerçekleştirilir.

Pompa darbesi hedefi ablate ederek erken plazmayı oluştururken, prob darbesi plazma bölgesi boyunca ilerler ve elektron sayı yoğunluğundaki heterojenliği tespit eder. Sonuçlar, ölçülen gölgegrafik görüntülerine dayanarak, ardışık gecikme sürelerindeki plazma genişlemesini göstermektedir. Plazma oluşumunu ve evrimini çok yüksek çözünürlükte örneklendirmek için hesaplanan sonuçlar kullanılarak animasyonlar da oluşturulmuştur.

Bu yöntem, odak noktası konumunun ve erken plazma evriminin lazer ablasyonu üzerindeki etkisi gibi, Outshot öncü alanıyla ilgili temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin etkisi, ultra kısa öncülerin geliştirilmesine ve etkili kullanımına kadar uzanmaktadır; çünkü bu yöntem, ultra lazer süresi boyunca erken plazma tarafından ne kadar enerji absorbe edildiğini gösterir ve bu bilgi, çeşitli teşhisler ile malzeme işleme çalışmaları için plazma alanının amplifikasyonu amacıyla kullanılabilir. Pompa-prob ve gölgegrafi ölçümü için kurulan optik sistem, lazer darbe enerjisini ayarlamak amacıyla lazer çıkışını takip eden bir yarım dalga plakası ve bir polarizatöre sahiptir.

Polarizörden sonra gelen bir ışın ayırıcı, lazer darbesini pompa darbesi ve prob darbesi olmak üzere iki darbeye ayırır. Pompa darbesi için bir optik geciktirme düzeneği oluşturmak amacıyla dört adet yansıtıcı ayna ve manuel bir öteleme tablası kullanılır. Diğer dört yansıtıcı ayna ise pompa darbesinin hedef yüzeye dikey olarak ulaşmasını sağlar.

Bir ikinci harmonik üreteci, lazer darbesi dalga boyunu 800 nanometreden 400 nanometreye dönüştürür. Ardından bir harmonik ayırıcı, 800 nanometre darbesini iletir ve 400 nanometre darbesini yansıtır. Sırada bir ışın daraltıcı yer alır.

Prob için başka bir optik geciktirme cihazı. Atım, dört yansıtıcı ayna kullanılarak oluşturulur ve bir çift odaklama lensi prob atımının boyutunu ve yakınsaklığını ayarlar. Bir iris halkası prob atımının alanını ayarlar ve prob atımının hedef yüzeyden yatay olarak geçmesini ve objektif lenslerin yanında pompa atımıyla kesişmesini sağlayarak, yoğunlaştırılmış şarj bağlı cihaz (ICCD) kamerası tarafından alınacak plazma bölgesi görüntüsünü oluşturmak için çeşitli filtreler kullanılır.

Son olarak; bilgisayar, lazer, ICCD kamera ve kontrol cihazı BNC veya USB kabloları kullanılarak birbirine bağlanır, kamera probun görüntüsünü yakalayana kadar kamera kontrol cihazının gecikme süresi ayarlanır. Prob darbesi ile kamera pompa-prob senkronizasyonunu etkili bir şekilde eşitlemek için, pompa darbesi ile prob darbesinin kesiştiği noktada bir ışın ayırıcı kullanılır ve iki fotodiyot bu iki darbeyi alır. Bu iki fotodiyot, ışın ayırıcıdan aynı mesafede olmalıdır.

Ardından, bu iki fotodiyodun sinyallerini almak için osiloskop kullanılarak ışın ayırıcı çıkarılır. Pompa darbesi ve prob darbesinin profilleri osiloskop ekranında birbiriyle örtüşene kadar pompa darbesi ışın yolu üzerindeki geciktirme tablası hareket ettirilir. Senkronizasyonu takiben, osiloskobun zamansal çözünürlüğü sayesinde 20 picoseconds hassasiyet elde edilir.

İki fotodiyotu çıkarın. Hava kırılması bölgesinin ICCD ekranında sadece seçilebileceği noktaya kadar pompa darbe ışını yolundaki gecikme kademesini ayarlayın. Hava kırılması oluşumunun üniform bir arka plan yerine tespit edilebildiği an, sıfır gecikme süresi olarak belirlenir.

Bu tekniğin kritik bir parçası, hedefin plazma görüntüsünün herhangi bir kısmını engellemediğinden emin olmaktır. Bu, numune üst yüzeyinde yüksek bir düzlük elde etmek ve numune üst yüzeyini prob geçişiyle paralel hale getirmek için numunenin ve sahnenin hazırlanmasıyla sağlanabilir. Sahne hazırlığına, bir laboratuvar krikosu ve iki manuel lineer sahnenin kurulumu ile başlayın.

Sırasıyla, numuneyi üç serbestlik dereceli taşıyıcı, kullanıcı komparatörü ve yüksek hassasiyetli şimler ile hareket ettirin. Kademelerin yüksek düzlemselliğini sağlamak için, yükseklik farkı 25,4 milimetre başına bir mikron arasında olmalıdır. Ardından, bir freze makinesi kullanarak 0,8 milimetre kalınlığındaki bir bakır levhadan kare bir parça keserek numuneyi hazırlayın. Bakır parçanın dar bir kenarını, yüzey pürüzlülüğü 0,5 mikronun altına düşene kadar bir parlatma makinesi ile cilalayın.

Bakır parçayı, cilalanmış dar tarafı yukarı bakacak şekilde üst manuel sahneye sabitleyin. Hedefin konumunu ICCD kamera aracılığıyla izleyerek, hedef altına yüksek hassasiyetli SHI'lar yerleştirilerek herhangi bir eğim ayarlanabilecek şekilde hedefi bir manuel sahne ile hareket ettirin. Bu işlemi diğer manuel sahne ile tekrarlayın.

Son olarak, odaklama lensinin konumunu üçüncü bir yüksek hassasiyetli manuel tabla ile değiştirerek hedef üzerinde bir düzine delik açın. Odak noktası konumu, en küçük deliğin açıldığı odaklama lensi konumuna karşılık gelir. Gerçek ölçüm karanlıkta yapılmalıdır.

Ancak, görüntüleme amaçlı olarak, ablasyon işlemini gerçekleştirmek için bir miktar ışık kullanılmıştır. Öncelikle, odak lensini odak noktasından yaklaşık 50 mikron uzaklığa kadar yukarı taşıyın. Ardından, görüntüyü yakalamak için prop pulse ışın yolu üzerindeki geciktirme sahnesini 0,3 milimetrelik aralıklarla hareket ettirin.

10 pikosaniyeye ulaşana kadar her iki pikosaniyede bir veya 480 pikosaniyeye ulaşana kadar her 20 pikosaniyede bir görüntü yakalamak için üç milimetrelik aralıklarla işlem yapın. Tekrarlanabilirlik ve doğruluk için bu işlemi birkaç kez tekrarlayın. Son adım olarak, odak lensini odak noktasından yaklaşık 50 mikron uzaklığa indirin ve görüntüleri yakalayın.

Ardışık gecikme sürelerinde bakır plazma genişlemesi sonucu elde edilen ölçülen gölge grafiği görüntüleri tekrar gösterilmiştir. Bu görüntüler, odak noktasının hedef yüzeyinin hafifçe üzerinde ve hafifçe altında olduğu durumlara karşılık gelmektedir. Burada, odak noktasının hedef yüzeyinin hafifçe üzerinde ve hafifçe altında olduğu durumlar için boylamsal ve radyal genişleme konumları grafiğe dökülmüştür.

Bu iki durumda boylamsal genişlemeler ilk 100 pikosaniyede önemli ölçüde farklılık göstermektedir; birinci durum için, ilk 100 pikosaniye içindeki erken plazma, çoklu katmanlardan oluşan tek boyutlu bir genişleme yapısına sahiptir. İkinci durum için ise erken plazma, 100 pikosaniye boyunca çok fazla değişmeyen iki boyutlu bir genişleme yapısına sahiptir. Bununla birlikte, sonraki 400 pikosaniyedeki boylamsal genişlemeler ve radyal genişlemeler benzerdir. Burada, odak noktasının hedef yüzeyinin hafifçe üzerinde olduğu durumda, simüle edilen elektron yoğunluğu üzerinden erken plazma evrim mekanizmasını incelemek için bir simülasyon modeli kullanılmıştır.

Sıfır zamanı, lazer darbesi zirvesinin hedef yüzeye ulaştığı an olarak tanımlanır. Odak noktasının hedef yüzeyinin biraz altında olduğu durumları incelemek için aynı model kullanılmıştır. Simüle edilen erken plazma evrim süreçleri, ölçülen sonuçlarla iyi bir uyum göstermektedir.

Her iki durumda da, simülasyon modeli kullanılarak ilk durum için bir pikosaniye içinde erken plazma oluşumu öngörülmektedir; erken plazmanın bir hava kırılma bölgesine ve bir bakır plazma bölgesine sahip olduğu tespit edilmiştir. İkinci durum için hava kırılması önce çok fotonlu iyonizasyon nedeniyle gerçekleşmiş, ardından bunu çığ iyonizasyonu izlemiştir. Ancak, odak noktası hedef yüzeyinin altındadır ve ayrı bir hava kırılma bölgesi oluşmamıştır.

Bunun yerine, hava iyonizasyonu bakır plazma cephesinin yakınında meydana gelir ve bakır hedeften saçılan serbest elektronların neden olduğu çarpışma iyonizasyonu sonucunda oluşur. Bu teknik, kısa darbeli lazer alanındaki araştırmacıların ablasyon sürecindeki erken plazma evrimini incelemelerinin yolunu açmıştır. Bu videoyu izledikten sonra, plazmaları ölçmek için shadowgraph yönteminin nasıl kullanılacağına dair iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.