Исследование ранней эволюции плазмы индуцированные сверхкоротких лазерных импульсов

Engineering
 

Summary

Экспериментального метода для изучения ранней эволюции плазмы индуцированных сверхкоротких лазерных импульсов описывается. Используя этот метод, высокое качество изображения раннего плазмы, полученные с высоким временным и пространственным разрешением. Новый интегрированный атомистического модель используется для моделирования и объяснить механизмы раннего плазмы.

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

Рано плазма создается благодаря высокой интенсивности лазерного облучения мишени и последующей ионизации вещества мишени. Его динамика играет важную роль в лазерной материального взаимодействия, особенно в среде воздуха 1-11.

Раннее развитие плазмы был захвачен через пробного shadowgraphy 1-3 и 1,4-7 интерферометрии. Тем не менее, изучали сроки и применять лазерный диапазоны параметров ограничены. Например, прямой осмотр места фронта плазмы и концентрации электронов в число время задержки 100 пикосекундной (ПС) по отношению к лазерному импульсу пик по-прежнему очень мало, особенно для сверхкороткого импульса длительностью около 100 фемтосекунд (фс) и низкой плотностью мощности около 10 14 Вт / см 2. Рано плазмы, генерируемой в этих условиях лишь недавно были захвачены с высоким временным и пространственным разрешением 12. Детальная стратегия установки иПроцедуры этой высокой точности измерений будет показано в этой статье. Обоснование измерения оптических пробного shadowgraphy: один сверхкороткого лазерного импульса делится на импульса накачки и пробного импульса, а время задержки между ними можно регулировать путем изменения их длины луча. Импульса накачки ablates цели и создает начале плазмы и пробного импульса проходит через область плазмы и определяет неравномерность плотности электронов. Кроме того, анимации, с использованием результатов расчета с имитационной модели работы. 12 иллюстрируют плазменное образование и эволюцию с очень высоким разрешением (0,04 ~ 1 пс).

И экспериментальный метод и метод моделирования могут быть применены к широкому спектру сроков и параметров лазера. Эти методы могут быть использованы для изучения ранних плазмы, создаваемой не только металлов, но и от полупроводников и диэлектриков.

Protocol

1. Оптическая система установки (рис. 1)

  1. Настройка полуволновой пластинки и поляризатора после лазера для регулировки энергии лазерного импульса.
  2. Настройка светоделителя после поляризатора разделить лазерного импульса на два импульса: импульс накачки и пробного импульса.
  3. Используйте четыре зеркал и ручного поступательного этап построения оптических устройств задержки импульса накачки.
  4. Используйте еще четыре зеркал направлять импульса накачки для достижения цели поверхности вертикально.
  5. Установите генератор второй гармоники (ГВГ) для преобразования длины волны лазера 800 нм до 400 нм.
  6. Использование гармонического сепаратор для передачи 800 нм импульса и отражает 400-нм импульса.
  7. Установка редуктора пучка и пару фокально линзы для регулировки размера и сходимость пробного импульса.
  8. Установить другой оптический прибор задержки, как указано в шаге 1.3, для пробного импульса.
  9. Использование кольца диафрагмы настроить областьпробного импульса и убедитесь, что пробного импульса проходят поверхности мишени по горизонтали и пересекается с импульса накачки.
  10. Установите два объективов и несколько фильтров, чтобы создать образ области плазмы, которые будут получены от усиленного прибор с зарядовой связью (ICCD) камеры.
  11. Подключить компьютер, лазерный, ICCD камеры и контроллера с помощью BNC-кабель или USB-кабеля.
  12. Настройка времени задержки контроллер камеры до камеры фиксирует изображение пробного импульса. Таким образом, импульс зонда и камеры будут синхронизированы.

2. Насос-зонд Синхронизация

  1. Поместите светоделитель на пересечении импульса накачки и пробного импульса, и создание двух фотодиодов, чтобы получить эти два импульса. Эти два фотодиодов должны иметь такое же расстояние от светоделителя.
  2. Использование осциллографа для приема сигналов этих двух фотодиодов, и двигаться задержки этапом на пути луча импульса накачки до проФайлы импульса накачки и пробного импульса перекрываются друг с другом на экране осциллографа. Точностью 20 пс достигается за счет временного разрешения осциллографа.
  3. Удалить светоделитель и двух фотодиодов, как указано в шаге 2.1.
  4. Отрегулируйте задержку этапом на пути луча импульса накачки до области пробоя воздуха может быть просто наблюдать на ICCD экране. Время, когда формирование пробоя воздуха можно обнаружить вместо однородного фона определяется как задержка нулевого времени.

3. Примеры и этап подготовки

  1. Установка лабораторного гнезда и два руководства линейного этапа для перехода образца с тремя степенями свободы.
  2. С помощью набора индикаторов и высокая точность прокладки для достижения высокой плоскостности этапов. Разница высоты должна быть в пределах 1 мкм на расстоянии 25,4 мм.
  3. Вырежьте квадратный кусок (30 мм х 30 мм) из меди листа толщиной 0,8 мм с помощью фрезерныхмашины.
  4. Польские узкой стороной (30 мм х 0,8 мм) Си часть до шероховатости поверхности менее 0,5 мкм.
  5. Закрепите кусок меди на вершине кпп с полированной узкой лицевой стороной вверх.
  6. Перемещение цели на один ручной этап, как указано в шаге 3.1), в то время как контролировать свои позиции по ICCD камеру так, что любой наклон можно регулировать путем добавления высокой точности прокладки ниже целевого показателя.
  7. Повторите шаг 3.6 с другом этапе эксплуатации.
  8. Просверлите десятков отверстий на цель в то время как менять положение фокусным третьей ступени высокого руководства точности. Расположение очагов точка соответствует положению фокусным где наименьший отверстие скважины.

4. Абляция и измерения

  1. Перемещение фокусным на расстоянии около 50 мкм от координационного центра.
  2. Перемещение задержки этапом на пути пучка пробного импульса с интервалом в 0,3 мм, чтобы сделать снимок каждые 2 пс до 10 пс, илис интервалом в 3 мм, чтобы сделать снимок каждые 20 пс до 480 пс.
  3. Повторите шаг 4.2 в несколько раз за повторяемость и точность.
  4. Перемещение фокусным вплоть до расстояния около 50 мкм от координационного центра, и повторите шаг 4.3.

5. Представитель Результаты

Измеренные изображения теневого показаны на рис. 2 и рис. 3, для координационного центра немного выше и ниже поверхности мишени, соответственно. Продольном и радиальном расширении позиций приведены на рис. 4 и рис. 5. Продольного расширения этих двух случаях в первые 100 пс существенно отличаются, однако их продольного расширения в следующем 400 пс и их радиальных расширений схожи. В первом случае, в начале плазмы в течение 100 пс имеет одномерное расширение структуры, состоящей из нескольких слоев. Во втором случае, в начале пласма имеет двумерную структуру расширение, которое не изменяется очень в течение 100 пс.

Имитационная модель 12 используется для исследования механизма ранней эволюции плазмы. Время нуля определяется как время, когда лазерный импульс пик достигает поверхности мишени. Моделирование ранних процессов эволюции плазмы, хорошо согласуются с результатами измерений для этих двух случаев, как показано на рис. 6 и рис. 7, соответственно. Формирование начале плазмы в 1 пс также предсказал, для первого случая использования имитационной модели и показано на рис. 8. В начале плазме установлено, что область пробоя воздуха и Cu области плазмы. Пробоя воздуха в первую очередь, вызванным многофотонной ионизации и последующей лавинной ионизации. Во втором случае, однако, фокус находится ниже поверхности мишени и не отдельного региона пробоя воздуха образуется. Вместо этого, ионизация воздуха происходит вблизи Cu плаперед SMA и вызвано ударной ионизации за счет свободных электронов, выбрасываемых из Cu цели.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схема пробного теневого измерения.

Рисунок 2
Рисунок 2. Cu расширения плазмы в последовательные время задержки с центром немного выше поверхности. Длина волны лазера: 800 нм, длительность импульса 100 фс, плотность мощности: 4,2 × 10 14 Вт / см 2; цель: Cu.

Рисунок 3
Рисунок 3. Cu расширения плазмы в последовательные время задержки с координатором чуть ниже поверхности. Длина волны лазера: 800 нм, длительность импульса 100 фс, плотность мощности: 4,2 × 10 14 Вт / см 2; цель: Cu.

<IMG ALT = "Рисунок 4" SRC = "/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg" />
Рисунок 4. Плазменные продольном и радиальном расширении позиций на последующих задержек по времени с центром немного выше поверхности. Длина волны лазера: 800 нм, длительность импульса 100 фс, плотность мощности: 4,2 × 10 14 Вт / см 2; цель: Cu.

Рисунок 5
Рисунок 5. Плазменный продольном и радиальном расширении позиций на последующих времен задержки с координатором чуть ниже поверхности. Длина волны лазера: 800 нм, длительность импульса 100 фс, плотность мощности: 4,2 × 10 14 Вт / см 2; цель: Cu.

Рисунок 6. Анимация измеренных и вычисленных расширения плазмы в течение времени задержки до 70 пс с центром немного выше поверхности. Длина волны лазера: 800 нм, длительность импульса 100 фс, плотность мощности: 4,2 × 10 14 2; цель: Cu. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Рисунок 7. Анимация измеренных и вычисленных расширения плазмы в течение времени задержки до 70 пс с координатором чуть ниже поверхности. Длина волны лазера: 800 нм, длительность импульса 100 фс, плотность мощности: 4,2 × 10 14 Вт / см 2; цель: Cu. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Рисунок 8. Анимация измеренных и вычисленных расширения плазмы в течение времени задержки 1 пс с центром немного выше поверхности. Длина волны лазера: 800 нм, длительность импульса 100 фс, плотность мощности: 4,2 × 10 14 Вт / см 2; цель. Cu Щелкните здесь для просмотра анимации </>.

Discussion

Измерение и методы моделирования, представленные в данной работе позволяет более точные обследования начале динамики плазмы и лучшего понимания механизмов ионизации воздуха и меди. Высокое качество плазменных структур будут захвачены с временным разрешением 1 пс и пространственным разрешением 1 мкм. Этот показатель имеет высокую повторяемость тоже. Критическая процедура согласования пучка очень хорошо, и подготовить целевую поверхность с высокой плоскостности, а также низкой шероховатостью.

Этот подход может быть применен к другим материалам цели и различных параметров лазера. Единственное ограничение пробного теневой метод является слишком низкой электронной плотности вариации.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgements

Авторы выражают глубокую признательность за финансовую поддержку данного исследования Национального научного фонда (грант №: CMMI-0653578, CBET-0853890).

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