초기 플라즈마 진화의 조사는 극단으로 짧은 레이저 펄스에 의해 유도된

Engineering
 

Summary

초단파의 레이저 펄스에 의해 유도된 초기 플라즈마 진화를 검사하는 실험적인 방법을 설명합니다. 이 방법을 사용하여 초기 플라즈마의 높은 품질의 이미지는 높은 시간적 및 공간적 해상도로 얻을 수 있습니다. 소설 통합 원자론의 모델은 초기 플라즈마의 메커니즘을 시뮬레이션하고 설명하는 데 사용됩니다.

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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).

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Abstract

초기 플라즈마가 타겟의 고휘도 레이저 조사와 후속 대상 물질 이온화로 인하여 생성됩니다. 그 역학, 특히 공기 환경 1-11에서 레이저 재료 상호 작용에 중요한 역할을한다.

초기 플라즈마 진화는 펌프 - 프로브 shadowgraphy 1-3과 간섭 측정법 1,4-7 통해 캡처되었습니다. 그러나, 시간 프레임을 공부하고 적용 레이저 매개 변수 범위가 제한됩니다. 예를 들어 레이저 펄스 피크에 대하여 100 picosecond (PS)의 지연 시간 내에 플라즈마 앞에 위치 및 전자 숫자 밀도의 직접적인 시험은 특히 100 femtosecond 주위 기간의 극단으로 짧은 펄스 (FS)에 대해 여전히 매우 소수이며, 10 14 W / cm 2 주변의 낮은 전력 밀도. 이러한 조건 하에서 생성된 초기 플라즈마는 높은 시간적 및 공간적 해상도 12로 최근에 점령당했습니다. 자세한 설치 전략 및이 고정밀 측정 절차는이 문서에 설명된됩니다. 측정의 근거는 광학 펌프 - 프로브 shadowgraphy입니다 : 둘 사이의 지연 시간이 그들의 빔 경로 길이를 변경하여 조정할 수있는 반면 한 극단으로 짧은 레이저 펄스는 펌프 펄스와 탐침 펄스로 나뉩니다. 펌프 맥박이 목표를 ablates하고 초기 플라즈마를 생성하고, 프로브 펄스 플라즈마 영역을 통해 전파 및 전자 개수 밀도의 비 균일를 감지합니다. 또한, 애니메이션은 심판의 시뮬레이션 모델에서 계산된 결과를 사용하여 생성됩니다. 12 매우 높은 해상도 (0.04 ~ 1 PS)과 플라즈마 형성 및 진화를 설명하기.

실험 방법과 시뮬레이션 방법 모두 시간 프레임과 레이저 매개 변수의 다양한 적용할 수 있습니다. 이러한 방법은 금속에서뿐만 아니라, 반도체와 절연체에서뿐만 아니라 생성된 초기 혈장을 검사하는 데 사용할 수 있습니다.

Protocol

1. 광학 시스템 설치 (그림 1)

  1. 반 파장 판과 레이저 펄스 에너지를 조정하는 레이저 출력을 다음과 편광판을 설정합니다.
  2. 펌프 펄스와 탐침 펄스 두 개의 펄스로 레이저 펄스를 분할하기 위해 편광판 후 빔 스플리터를 설정합니다.
  3. 펌프 펄스에 대한 광 지연 장치를 구성하는 4 가지 반사 거울과 수동 translational 단계를 사용하십시오.
  4. 수직으로 대상 표면에 도달 펌프 펄스를 안내하기 위해 다시 넉 반사 거울을 사용합니다.
  5. 800 NM ~ 400 NM에서 레이저 펄스 파장 변환하는 두 번째 고조파 생성기 (SHG)를 설정합니다.
  6. 800-nm의 펄스를 전송 및 400 nm의 펄스를 반영하기 위해 고조파 구분 기호를 사용합니다.
  7. 빔 감속기 및 프로브 펄스의 크기와 융합을 조정할 focally 렌즈 한쌍을 설정합니다.
  8. 프로브 펄스에 대해 같은 단계 1.3에 언급된 다른 광 지연 장치, 설정합니다.
  9. 의 영역을 조정하기 위해 아이리스 링을 사용하여프로브 펄스와 탐침 펄스가 수평으로 대상 표면을 통과하고 펌프 펄스와 교차 확인하십시오.
  10. 심화 전하 결합 소자 (ICCD) 카메라에 접수되는 플라즈마 영역의 이미지를 생성하기 위해 두 목적 렌즈와 여러 필터를 설정합니다.
  11. 컴퓨터, 레이저, ICCD 카메라와 BNC 케이블이나 USB 케이블을 사용하여 컨트롤러를 연결합니다.
  12. 카메라 프로브 펄스의 이미지를 캡처까지 카메라 컨트롤러의 지연 시간을 조정합니다. 따라서 프로브 펄스와 카메라가 동기화됩니다.

2. 펌프 - 프로브 동기화

  1. 펌프 펄스와 탐침 펄스의 교차로 빔 스플리터를 삽입하고,이 두 펄스를 수신하기 위해 두 photodiodes를 설정합니다. 이 두 photodiodes 거리 빔 스플리터로부터 같은 거리에 있어야합니다.
  2. 이 두 photodiodes의 신호를받을 수있는 오실로 스코프를 사용하여 프로까지 펌프 펄스 빔 경로에 지연 스테이지를 이동펌프 펄스와 탐침 펄스의 파일은 오실로 스코프 화면에서 서로 겹칠. 20 PS의 정확성은 오실로 스코프의 시간적 해상도로 인하여 이루어진다.
  3. 빔 스플리터와 같은 단계 2.1에서 언급한 두 photodiodes를 제​​거합니다.
  4. 공기 분할 영역이 바로 ICCD 화면에 관측할 수 있었을 때까지 펌프 펄스 빔 경로에 지연 단계를 조정합니다. 공기 고장의 형성은 균일한 배경 대신에 포착할 수 시간은 지연 시간 제로으로 결정됩니다.

3. 샘플 및 무대 준비

  1. 자유의 세 정도로 시료를 이동하기 위해 실험실 - 잭 두 수동 선형 단계를 설정합니다.
  2. 단계 높은 평탄도를 달성하기 위해 다이얼 표시기 및 높은 정밀도 shims를 사용하십시오. 높이 차이는 25.4 mm의 거리 당 1 μm의 내에 있어야합니다.
  3. 밀링을 사용하여 0.8 mm의 두께로 잘라내기 시트 밖으로 정사각형 조각 (30mm × 30mm)을 잘라기계.
  4. 표면 거칠기는 아래 0.5 μm의 때까지 잘라내기 조각의 좁은 측면 (30mm × 0.8 mm)을 갈고 닦아서.
  5. 광택 좁은 얼굴을 들고 가기 수동 무대에서 잘라내기 조각을 수정합니다.
  6. 어떤 기울기는 목표 아래 고정밀 shims를 삽입하여 조정할 수 있도록 ICCD 카메라를 통해 위치를 모니터링하면서 단계 3.1)에 언급된 사람과 수동 단계로 표적을 이동합니다.
  7. 다른 수동 단계와 단계 3.6을 반복합니다.
  8. 삼분의 일 고정밀 설명서 단계로 초점 렌즈의 위치를​​ 다양하면서 대상에 구멍 다스 드릴 다운하십시오. 초점 위치는 작은 구멍이 뚫고 있습니다 초점 렌즈의 위치에 해당합니다.

4. 절제 및 측정

  1. 최대 거리 초점에서 약 50 μm의의 거리까지 초점 렌즈를 이동합니다.
  2. 또는, 10 PS까지 이미지를 매 2 PS를 캡처하기 위해 0.3 mm의 간격으로 프로브 펄스 빔 경로에 지연 스테이지를 이동480 PS까지 이미지를 매 20 PS를 캡처는 3 mm의 간격으로.
  3. repeatability 정확하게 몇 번위한 단계 4.2 반복합니다.
  4. 거리에 초점에서 약 50 μm의의 거리 초점 렌즈를 아래로 이동하고, 단계 4.3 반복합니다.

5. 대표 결과

측정 그림자 그림 이미지는 그림에 표시됩니다. 2와 그림. 3, 각각 약간 타겟 표면 위에 아래의 초점에 대한. 세로과 요골 확장 위치는 그림 꾸몄다됩니다. 4와 그림. 5. 처음 100 PS에이 두 사건의 세로 확장 크게 다를 수 있지만, 다음 400 PS하고 레이디얼 확장 그들의 세로 확장이 비슷합니다. 첫번째 사례의 경우, 100 PS 이내 초기 플라즈마는 여러 레이어로 구성된 1 차원 확장 구조를 가지고 있습니다. 두 번째 경우, 초기 PL에 대한asma은 100 PS 내에 많이 변경되지 않는 2 차원 확장 구조를 가지고 있습니다.

시뮬레이션 모델은 12 초에 플라즈마 진화의 메커니즘을 조사하는 데 사용됩니다. 시간 제로는 레이저 펄스 피크가 대상 표면을 도달 시간으로 정의됩니다. 그림과 같이 가상의 초기 플라즈마 진화 과정은이 두 사건 모두에 대해 측정된 결과와 잘 동의합니다. 6과 그림. 각각 7,. 한 PS 이내 초기 플라즈마의 형성은 또한 시뮬레이션 모델을 사용하여 첫 번째 경우에 대해 예측하고 그림에 표시됩니다. 8. 초기 플라즈마는 공기 분석 지역 및 잘라내기 플라즈마 영역을 가지고 발견됩니다. 에어 고장 먼저 다중 광자 이온화에 의해 발생 후 눈사태 이온화 뒤에있다. 두 번째 사례의 경우 단, 초점은 아래 대상 표면이며, 별도의 공기 분석 지역은 형성되지 않습니다. 대신, 공기 이온화는 잘라내기 괞찮아 근처에서 발생SMA 전면하며 잘라내기 대상에서 나옵 자유 전자로 충격 이온화 인하여 때문에 발생합니다.

그림 1
그림 1. 펌프 - 프로브 그림자 그림 측정의 도식.

그림 2
약간 표면 위에 초점과 연속 지연 시간에 그림 2. 잘라내기 플라즈마 확장. 레이저 파장 : 800 nm의, 펄스 지속 시간 : 100 FS, 전력 밀도 : 4.1 × 10 14 W / cm 2; 대상 : 잘라내기.

그림 3
약간 표면 아래의 초점과 연속 지연 시간에 그림 3. 잘라내기 플라즈마 확장. 레이저 파장 : 800 nm의, 펄스 지속 시간 : 100 FS, 전력 밀도 : 4.1 × 10 14 W / cm 2; 대상 : 잘라내기.

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그림 4. 플라즈마 길이와 약간 표면 위에 초점과 연속 지연 시간에 방사상 확장 위치. 레이저 파장 : 800 nm의, 펄스 지속 시간 : 100 FS, 전력 밀도 : 4.1 × 10 14 W / cm 2; 대상 : 잘라내기.

그림 5
그림 5. 약간 표면 아래의 초점과 연속 지연 시간에 플라즈마 세로과 요골 확장 위치. 레이저 파장 : 800 nm의, 펄스 지속 시간 : 100 FS, 전력 밀도 : 4.1 × 10 14 W / cm 2; 대상 : 잘라내기.

그림 6. 약간 표면 위에 초점 70 PS의 지연 시간 내에 측정 및 계산 플라즈마 확장의 애니메이션. 레이저 파장 : 800 nm의, 펄스 지속 시간 : 100 FS, 전력 밀도 : 4.1 × 10 14 2; 대상 : 잘라내기. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .

그림 7. 약간 표면 아래에 초점 70 PS의 지연 시간 내에 측정 및 계산 플라즈마 확장의 애니메이션. 레이저 파장 : 800 nm의, 펄스 지속 시간 : 100 FS, 전력 밀도 : 4.1 × 10 14 W / cm 2; 대상 : 잘라내기. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .

그림 8. 약간 표면 위에 초점 : 1 개 PS의 지연 시간 내에 측정 및 계산 플라즈마 확장의 애니메이션. 레이저 파장 : 800 nm의, 펄스 지속 시간 : 100 FS, 전력 밀도 : 4.1 × 10 14 W / cm 2; 대상 :. 잘라내기 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 </ a>를 참조하십시오.

Discussion

본 논문에서 제시된 측정 및 시뮬레이션 방법은 초기 플라즈마 역학과 공기 잘라내기 모두 이온화 메카니즘에 대한 이해의보다 정확한 진단을 가능하게합니다. 높은 품질의 플라즈마 구조는 1 PS 1 μm의의 공간적 해상도의 시간적 해상도로 캡처된다. 이 측정은 너무 높은 repeatability 있습니다. 중요한 절차는 잘 빔을 정렬 높은 평탄뿐만 아니라 낮은 거칠기와 대상 표면을 준비하는 것입니다.

이 접근법은 다른 대상 자료와 다양한 레이저 매개 변수에 적용할 수 있습니다. 펌프 - 프로브 그림자 그림 방법의 유일한 제한은 너무 낮은 전자 번호 밀도 편차입니다.

Disclosures

관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

Acknowledgements

저자들은 기꺼이 국립 과학 재단 (CMMI-0653578, CBET-0853890 부여 없음)으로 본 연구를 위해 제공되는 재정 지원을 인정하고 싶습니다.

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

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References

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