التحقيق في التطور المبكر البلازما المستحثة بواسطة الليزر فائقة القصر البقول

Engineering
 

Summary

يوصف أسلوب تجريبي لدراسة تطور البلازما في وقت مبكر الناجمة عن الليزر فائقة القصر البقول. باستخدام هذا الأسلوب، ويتم الحصول على صور ذات جودة عالية من البلازما في وقت مبكر مع ارتفاع قرارات الزمانية والمكانية. ويستخدم نموذج ذري رواية متكاملة لمحاكاة وشرح آليات البلازما في وقت مبكر.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Hu, W., Shin, Y. C., King, G. B. Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses. J. Vis. Exp. (65), e4033, doi:10.3791/4033 (2012).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

يتم توليد البلازما في وقت مبكر بسبب ارتفاع كثافة أشعة الليزر على الهدف، والهدف التأين المواد اللاحقة. دينامياته تلعب دورا هاما في الليزر مادة التفاعل، وخاصة في بيئة الهواء 1-11.

تم القاء القبض عليه في وقت مبكر تطور البلازما من خلال تصوير شعاعي 1-3 مضخة مسبار والتداخل 1،4-7. ومع ذلك، وتقتصر المعلمة الليزر درس الأطر الزمنية وتطبيق النطاقات. على سبيل المثال، والامتحانات مباشرة من المواقع الأمامية البلازما وكثافة عدد الإلكترونات في غضون فترة زمنية تأخير من 100 بيكو ثانية (PS) فيما يتعلق ذروة نبضة ليزر لا تزال قليلة جدا، وخاصة بالنسبة للنبض فائقة القصر لمدة حوالي 100 الفيمتو ثانية (FS) و كثافة منخفضة الطاقة حول W 14 10 / سم 2. البلازما في وقت مبكر ولدت في ظل هذه الظروف فقط وقد تم القبض مؤخرا مع ارتفاع قرارات الزمانية والمكانية 12. إعداد استراتيجية تفصيلية ووسوف يتضح من هذه الإجراءات قياس دقة عالية في هذه الورقة. الأساس المنطقي للقياس هو بصري مضخة مسبار تصوير شعاعي: يتم تقسيم واحد ليزر فائقة القصر نبض لنبض مضخة ونبض التحقيق، في حين يمكن تعديل زمن التأخير بينهما من خلال تغيير مسار شعاع أطوالها. نبض مضخة ablates الهدف ويولد البلازما في وقت مبكر، ونبض التحقيق تنتشر عبر المنطقة البلازما ويكشف عدم التجانس من كثافة عدد الإلكترونات. وبالإضافة إلى ذلك، يتم إنشاء الرسوم المتحركة باستخدام نتائج محسوبة من نموذج المحاكاة من المرجع. 12 لتوضيح تشكيل البلازما وتطور مع دقة عالية جدا (0.04 ~ 1 PS).

ويمكن تطبيق المنهج التجريبي على حد سواء، وطريقة محاكاة لمجموعة واسعة من الأطر الزمنية والمعلمات ليزر. ويمكن استخدام هذه الأساليب لفحص البلازما في وقت مبكر تولدت ليس فقط من المعادن، ولكن أيضا من أشباه الموصلات والعوازل.

Protocol

1. بصري إعداد النظام (الشكل 1)

  1. انشاء لوحة نصف موجة والمستقطب في أعقاب انتاج الليزر لضبط الطاقة نبضة ليزر.
  2. إنشاء الحزمة الخائن بعد المستقطب لتقسيم نبضة ليزر لاثنين من البقول: نبض المضخة ونبض التحقيق.
  3. استخدام أربعة المرايا التي تعكس ومرحلة دليل متعدية لبناء جهاز تأخير البصرية لنبض مضخة.
  4. استخدام آخر المرايا التي تعكس 4 لتوجيه نبض مضخة للوصول الى سطح الهدف عموديا.
  5. اقامة مولد 2 التوافقي (SHG) لتحويل طول الموجة نبضة ليزر من 800 نانومتر إلى 400 نانومتر.
  6. استخدام فاصل متناسق لنقل نبض 800 نانومتر، وتعكس نبض 400 نانومتر.
  7. انشاء المخفض شعاع وزوج من العدسات الوزراء البريطانى لضبط حجم وتقارب نبض التحقيق.
  8. إنشاء جهاز آخر تأخير البصرية، كما هو مذكور في الخطوة 1.3، لنبض التحقيق.
  9. استخدام خاتم ايريس لضبط منطقةمسبار النبض والتأكد من نبض التحقيق تمرير سطح الهدف أفقيا وتتقاطع مع نبض مضخة.
  10. انشاء اثنين من العدسات والفلاتر الهدف عدة لتوليد صورة المنطقة البلازما التي سترد من قبل الجهاز المسؤول عن الديناميكي المكثف (ICCD) الكاميرا.
  11. ربط جهاز الكمبيوتر، ليزر، والكاميرا ICCD وتحكم في استخدام الكابلات BNC أو كابلات USB.
  12. ضبط الوقت تأخير من وحدة تحكم كاميرا حتى تلتقط الكاميرا صورة من نبض التحقيق. وبالتالي، تتم مزامنة نبض التحقيق والكاميرا.

2. مضخة تحقيق التزامن

  1. وضع الحزمة الخائن عند تقاطع للنبض المضخة ونبض التحقيق، وإنشاء شركتين فوتوديوديس لتلقي هذه النبضات اثنين. وينبغي لهذه فوتوديوديس لهما نفس المسافة بعيدا عن الحزمة الخائن.
  2. استخدام الذبذبات لاستقبال اشارات من هذه فوتوديوديس اثنين، والتحرك في المرحلة تأخير في مسار شعاع مضخة النبض حتى المواليملفات نبض المضخة ونبض التحقيق تتداخل مع بعضها البعض على شاشة مرسمة الذبذبات. ويتحقق بدقة من 20 PS بسبب القرار الزمني للالذبذبات.
  3. إزالة الحزمة الخائن وفوتوديوديس 2 كما هو مذكور في الخطوة 2.1.
  4. ضبط مرحلة تأخير في مسار شعاع مضخة النبض حتى يمكن فقط في المنطقة انهيار الهواء يمكن ملاحظة على الشاشة ICCD. يتم تحديد الوقت الذي يمكن أن يتم الكشف عن تشكيل لانهيار الهواء بدلا من خلفية موحدة كما صفر تأخير الوقت.

3. العينة وتحضير المرحلة

  1. انشاء مختبر جاك وعلى مرحلتين دليل خطي من أجل نقل عينة مع ثلاث درجات من الحرية.
  2. استخدام مؤشر الطلب والحشوات عالية الدقة لتحقيق التسطيح عالية من المراحل. يجب أن يكون ضمن الفرق ارتفاع 1 ميكرومتر في مسافة 25.4 مم.
  3. قطع قطعة مربع (30 ملم × 30 ملم) من أصل ورقة النحاس مع سمك 0.8 مم باستخدام الطحنآلة.
  4. تلميع جانب ضيق (30 مم × 0.8 مم) من قطعة نحاس وحتى خشونة السطح هو أقل من 0.5 ميكرون.
  5. تحديد قطعة النحاس على الساحة دليل أعلى مع الوجه المصقول ضيق يصل.
  6. حرك الهدف من مرحلة دليل واحد كما ذكر في الخطوة 3.1) في حين رصد موقفها عبر كاميرا ICCD بحيث يمكن تعديل أي الميل عن طريق إدخال الحشوات عالية الدقة أقل من الرقم المستهدف.
  7. كرر الخطوة 3،6 مع مرحلة دليل آخر.
  8. حفر عشرات من الثقوب على الهدف في حين تختلف عن موقف عدسة التنسيق بمقدار الثلث عالية الدقة مرحلة دليل. الموقع نقطة اتصال يتوافق مع موقف للعدسة حيث يتم التنسيق حفر أصغر ثقب.

4. الاجتثاث والقياس

  1. تحريك العدسة المحورية لمسافة تصل إلى حوالي 50 ميكرون بعيدا عن النقطة المركزية.
  2. نقل مرحلة تأخير في تحقيق مسار شعاع نبض مع فاصل من 0.3 مم لالتقاط صورة كل PS 2 حتى 10 PS، أومع فاصل من 3 ملم لالتقاط صورة كل PS 20 حتى 480 فرع فلسطين.
  3. كرر الخطوة 4.2 لعدة مرات لتكرار والدقة.
  4. تحريك العدسة التنسيق وصولا الى مسافة نحو 50 ميكرومتر بعيدا عن النقطة المركزية، وكرر الخطوة 4.3.

5. ممثل النتائج

وتظهر هذه الصور صورة شعاعية يقاس في الشكل. (2) والشكل. 3، لجهة التنسيق قليلا فوق وتحت سطح الهدف، على التوالي. يتم رسم المواقف التوسع الطولي وشعاعي في الشكل. (4) والشكل. 5. التوسعات طولية من هاتين القضيتين في PS 100 الأولى تختلف اختلافا كبيرا، إلا أن توسعاتها طولية في PS 400 التالية وتوسعاتها شعاعي متشابهة. عن الحالة الأولى، والبلازما في وقت مبكر خلال 100 PS لديها بنية توسيع ذات بعد واحد يتكون من طبقات متعددة. للحالة الثانية، في وقت مبكر ررأسما لديها بنية توسيع ثنائية الأبعاد التي لا تتغير كثيرا خلال 100 فرع فلسطين.

يتم استخدام نموذج المحاكاة من 12 إلى التحقيق في آلية تطور البلازما في وقت مبكر. ويعرف صفر الوقت لأن الوقت الذي كان فيه نبضة ليزر الذروة تصل إلى السطح المستهدف. لمحاكاة تطور البلازما في وقت مبكر عمليات توافق بشكل جيد مع النتائج المقاسة لكلا من هاتين الحالتين، كما هو مبين في الشكل. (6) والشكل. 7 على التوالي. ومن المتوقع أيضا تشكيل البلازما في وقت مبكر ضمن PS (1) لاول حالة باستخدام نموذج محاكاة وهو مبين في الشكل. 8. تم العثور على البلازما في وقت مبكر أن يكون لمنطقة انهيار الهواء ومنطقة بلازما النحاس. يحدث لأول مرة انهيار الهواء متعددة الفوتون التأين ومن ثم تليها التأين الانهيار. عن الحالة الثانية، ومع ذلك، فإن النقطة المحورية هي تحت سطح الأرض المستهدفة، ويتم تشكيل أي انهيار جوية منفصلة المنطقة. بدلا من ذلك، والهواء التأين يحدث بالقرب من جيش التحرير الشعبى الصينى النحاسويتسبب جبهة سعد محمد، وذلك بسبب تأثير التأين الى الإلكترونات الحرة طرد من النحاس الهدف.

الشكل 1
الشكل 1. تخطيطي لقياس صورة شعاعية مضخة مسبار.

الشكل 2
الشكل 2. توسيع البلازما النحاس في بعض الأحيان تأخير المتعاقبة مع مركز تنسيق قليلا فوق السطح. الليزر الطول الموجي: 800 نانومتر؛ مدة النبضة: 100 FS؛ كثافة الطاقة: 4.2 × 10 14 واط / سم الهدف: النحاس.

الشكل (3)
الشكل 3. توسيع البلازما النحاس في بعض الأحيان تأخير المتعاقبة مع مركز تنسيق قليلا تحت السطح. الليزر الطول الموجي: 800 نانومتر؛ مدة النبضة: 100 FS؛ كثافة الطاقة: 4.2 × 10 14 واط / سم الهدف: النحاس.

<IMG ALT = "الشكل 4" SRC = "/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg" />
الشكل 4. البلازما الطولية ومواقف توسع شعاعي في أوقات التأخير المتعاقبة مع مركز تنسيق قليلا فوق السطح. الليزر الطول الموجي: 800 نانومتر؛ مدة النبضة: 100 FS؛ كثافة الطاقة: 4.2 × 10 14 واط / سم الهدف: النحاس.

الشكل 5
الشكل 5. البلازما الطولية ومواقف توسع شعاعي في أوقات التأخير المتعاقبة مع مركز تنسيق قليلا تحت السطح. الليزر الطول الموجي: 800 نانومتر؛ مدة النبضة: 100 FS؛ كثافة الطاقة: 4.2 × 10 14 واط / سم الهدف: النحاس.

الشكل (6). الرسوم المتحركة للتوسع بلازما قياس وحساب التأخير في غضون فترة زمنية من 70 PS مع مركز تنسيق قليلا فوق السطح. الليزر الطول الموجي: 800 نانومتر؛ مدة النبضة: 100 FS؛ كثافة الطاقة: 4.2 × 10 14 2، الهدف: النحاس. انقر هنا لعرض الصور المتحركة .

الشكل 7. الرسوم المتحركة للتوسع بلازما قياس وحساب التأخير في غضون فترة زمنية من 70 PS مع مركز تنسيق قليلا تحت السطح. الليزر الطول الموجي: 800 نانومتر؛ مدة النبضة: 100 FS؛ كثافة الطاقة: 4.2 × 10 14 واط / سم الهدف: النحاس. انقر هنا لعرض الصور المتحركة .

الرقم 8. الرسوم المتحركة للتوسع بلازما قياس وحساب التأخير في غضون فترة زمنية من 1 مز مع مركز تنسيق قليلا فوق السطح. الليزر الطول الموجي: 800 نانومتر؛ مدة النبضة: 100 FS؛ كثافة الطاقة: 4.2 × 10 14 واط / سم الهدف: النحاس اضغط هنا لمشاهدة الرسوم المتحركة </ أ>.

Discussion

طرق القياس والمحاكاة المعروضة في هذه الورقة تمكين الامتحانات أكثر دقة لديناميات البلازما في وقت مبكر والتوصل إلى فهم أفضل للآليات التأين لكل من الهواء والنحاس. ويتم التقاط عالية الجودة مع الهياكل البلازما قرار الزمنية من 1 PS والقرار المكانية من 1 ميكرون. هذا القياس لديه التكرار مرتفعة جدا. الإجراء الحاسم هو لمحاذاة شعاع بشكل جيد للغاية وإعداد سطح الهدف مع التسطيح عالية، فضلا عن خشونة منخفضة.

ويمكن تطبيق هذا النهج على المواد المستهدفة الأخرى والمعلمات ليزر مختلف. والقيد الوحيد للأسلوب صورة شعاعية مضخة مسبار هو عدد الإلكترونات منخفضة جدا اختلاف كثافة.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

الكتاب ترغب في امتنانهم للدعم المالي المقدم لهذه الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الوطنية (المنح رقم: CMMI-0653578، 0853890، CBET).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics