दालों ultrashort लेजर द्वारा प्रेरित प्रारंभिक प्लाज्मा एवोल्यूशन की जांच

Engineering
 

Summary

जल्दी प्लाज्मा ultrashort लेजर दालों से प्रेरित विकास की जांच के लिए एक प्रयोगात्मक विधि वर्णित है. इस पद्धति का उपयोग करके, जल्दी प्लाज्मा के उच्च गुणवत्ता छवियों उच्च लौकिक और स्थानिक संकल्प के साथ प्राप्त कर रहे हैं. एक उपन्यास एकीकृत atomistic मॉडल अनुकरण और जल्दी प्लाज्मा के तंत्र को समझाने के लिए प्रयोग किया जाता है.

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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

जल्दी प्लाज्मा लक्ष्य के उच्च तीव्रता लेजर विकिरण और बाद में लक्ष्य सामग्री ionization के कारण उत्पन्न होता है. इसकी गतिशीलता लेजर सामग्री बातचीत में विशेष रूप से हवा 1-11 वातावरण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है.

जल्दी प्लाज्मा विकास पंप जांच shadowgraphy 1-3 और 1,4-7 इंटरफेरोमेट्री के माध्यम से कब्जा कर लिया गया है. हालांकि, समय फ्रेम का अध्ययन किया है और लागू लेजर पैरामीटर पर्वतमाला सीमित कर रहे हैं. उदाहरण के लिए, प्लाज्मा सामने लेजर पल्स पीक करने के लिए सम्मान के साथ 100 पीकोसैकन्ड (पी एस) के एक देरी समय के भीतर और स्थानों इलेक्ट्रॉन संख्या घनत्व का प्रत्यक्ष परीक्षा अभी भी बहुत कुछ है, और एक अवधि के 100 femtosecond चारों ओर ultrashort नाड़ी (एफएस) के लिए विशेष रूप से 10 14 डब्ल्यू / 2 सेमी के आसपास एक कम ऊर्जा घनत्व. जल्दी इन शर्तों के अधीन उत्पन्न प्लाज्मा केवल उच्च लौकिक और स्थानिक 12 प्रस्तावों के साथ किया गया है हाल ही में कब्जा कर लिया. विस्तृत रणनीति और सेटअपइस पत्र में यह उच्च परिशुद्धता माप की प्रक्रिया सचित्र जाएगा. माप का तर्क है ऑप्टिकल पंप जांच shadowgraphy के एक ultrashort लेजर पल्स पंप नाड़ी और एक जांच नाड़ी विभाजित है, जबकि उन दोनों के बीच देरी समय उनके किरण पथ लंबाई को बदलने से समायोजित किया जा सकता है. पंप नाड़ी लक्ष्य ablates और जल्दी प्लाज्मा उत्पन्न है, और जांच पल्स प्लाज्मा क्षेत्र के माध्यम से प्रचार और इलेक्ट्रॉन संख्या घनत्व की गैर एकरूपता का पता लगाता है. इसके अलावा, एनिमेशन रेफरी का अनुकरण मॉडल से की गणना परिणाम का उपयोग 12 उत्पन्न कर रहे हैं. प्लाज्मा गठन और विकास के लिए एक बहुत ही उच्च संकल्प (0.04 ~ 1 पी एस) के साथ उदाहरण देकर स्पष्ट करना.

दोनों प्रयोगात्मक विधि और अनुकार विधि समय फ्रेम और लेजर मापदंडों का एक व्यापक रेंज के लिए लागू किया जा सकता है. इन तरीकों के लिए जल्दी न केवल धातु से है, लेकिन यह भी अर्धचालकों और insulators से उत्पन्न प्लाज्मा की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.

Protocol

1. ऑप्टिकल प्रणाली सेटअप (1 छवि)

  1. एक थाली आधे लहर और लेजर लेजर पल्स ऊर्जा को समायोजित करने के लिए उत्पादन के बाद एक polarizer सेट करें.
  2. पंप नाड़ी और नाड़ी जांच: ध्रुवक दो दालों के लिए लेजर पल्स विभाजन के बाद एक बीम फाड़नेवाला सेट.
  3. पंप नाड़ी के लिए एक देरी ऑप्टिकल डिवाइस का निर्माण चार को दर्शाती है दर्पण और एक पुस्तिका translational मंच का उपयोग करें.
  4. एक और चार को दर्शाती दर्पण का उपयोग करने के लिए पंप नाड़ी का मार्गदर्शन करने के लिए लक्ष्य सतह खड़ी पहुँच.
  5. एक दूसरे हार्मोनिक जनरेटर (एसएचजी) 800 एनएम से 400 एनएम से लेजर पल्स तरंगदैर्ध्य को बदलने का सेट.
  6. एक हार्मोनिक विभाजक का उपयोग करने के लिए 800 एनएम पल्स संचारित और 400 एनएम नाड़ी को प्रतिबिंबित.
  7. एक किरण reducer और focally लेंस की एक जोड़ी के आकार और जांच नाड़ी के अभिसरण को समायोजित सेट.
  8. सेट अप एक और देरी ऑप्टिकल डिवाइस, जांच नाड़ी के लिए के रूप में 1.3 चरण में उल्लेख किया है.
  9. परितारिका अंगूठी प्रयोग के क्षेत्र को समायोजित करने के लिएजांच नाड़ी और यकीन है कि जांच नाड़ी लक्ष्य सतह क्षैतिज पास और पंप नाड़ी के साथ एक दूसरे को काटना.
  10. दो उद्देश्य लेंस और कई फिल्टर सेट प्लाज्मा तेज प्रभारी युग्मित डिवाइस (ICCD) कैमरा के द्वारा प्राप्त किया जाना क्षेत्र की छवि को उत्पन्न करने के लिए.
  11. कंप्यूटर, लेजर, ICCD कैमरा और उसके नियंत्रक BNC केबल या USB केबल का उपयोग कर कनेक्ट करें.
  12. कैमरा नियंत्रक की देरी समय तक कैमरा जांच नाड़ी की एक छवि कब्जा समायोजित करें. इस प्रकार, जांच नाड़ी और कैमरा सिंक्रनाइज़ कर रहे हैं.

2. पम्प जांच तुल्यकालन

  1. पंप नाड़ी और नाड़ी जांच के चौराहे पर एक बीम फाड़नेवाला प्लेस, और दो photodiodes सेट करने के लिए इन दो दालों प्राप्त है. इन दो photodiodes एक ही दूरी बीम फाड़नेवाला से दूर होना चाहिए.
  2. इन दो photodiodes के संकेतों को प्राप्त आस्टसीलस्कप का उपयोग करें, और पंप नाड़ी किरण पथ पर समर्थक तक देरी चरण कदमपंप नाड़ी और नाड़ी जांच की फाइल आस्टसीलस्कप स्क्रीन पर एक दूसरे के साथ ओवरलैप. 20 पी एस के एक सटीकता के कारण आस्टसीलस्कप का अस्थायी समाधान के लिए हासिल की है.
  3. बीम फाड़नेवाला और दो के रूप में 2.1 चरण में उल्लेख किया है photodiodes निकालें.
  4. पंप नाड़ी किरण पथ पर देरी चरण समायोजित तक हवा टूटने क्षेत्र ICCD स्क्रीन पर देखा जा सकता है. समय जब हवा टूटने के गठन के एक समान पृष्ठभूमि के बजाय पता लगाया जा सकता है देरी समय शून्य के रूप में निर्धारित किया जाता है.

3. नमूना और स्टेज तैयार

  1. एक प्रयोगशाला जैक और दो मैनुअल रैखिक चरणों सेट क्रम में स्वतंत्रता के तीन डिग्री के साथ नमूना चाल.
  2. एक डायल सूचक और उच्च परिशुद्धता shims का उपयोग करने के लिए चरणों की एक उच्च उदासी प्राप्त है. ऊंचाई अंतर 25.4 मिमी की दूरी प्रति 1 माइक्रोन के भीतर होना चाहिए.
  3. एक घन चादर के बाहर एक वर्ग (30 मिमी × 30 मिमी) 0.8 मिमी की मोटाई के साथ एक मिलिंग का उपयोग टुकड़ा कटमशीन.
  4. घन टुकड़ा की एक संकीर्ण पक्ष (30 मिमी × 0.8 मिमी) पोलिश जब तक सतह खुरदरापन नीचे 0.5 माइक्रोन.
  5. ऊपर पॉलिश संकीर्ण चेहरे के साथ शीर्ष पुस्तिका मंच पर घन टुकड़ा फिक्स.
  6. एक पुस्तिका मंच द्वारा लक्ष्य ले जाएँ के रूप में 3.1 चरण) में उल्लेख किया है जबकि ऐसी है कि किसी भी झुकाव लक्ष्य नीचे उच्च परिशुद्धता shims डालने द्वारा समायोजित किया जा सकता है ICCD कैमरा के माध्यम से अपनी स्थिति की निगरानी.
  7. अन्य पुस्तिका चरण के साथ 3.6 चरण दोहराएँ.
  8. लक्ष्य पर छेद के एक दर्जन ड्रिल, जबकि एक तिहाई उच्च सटीकता पुस्तिका मंच द्वारा फोकल लेंस की स्थिति भिन्न है. केन्द्र बिन्दु स्थान जहां छोटी छेद drilled है फोकल लेंस की स्थिति से मेल खाती है.

4. पृथक और मापन

  1. फोकल लेंस चाल के बारे में 50 माइक्रोन का केन्द्र बिन्दु से दूर एक दूरी के लिए.
  2. जांच नाड़ी किरण पथ पर 10 पी एस तक हर 2 पी एस छवि पर कब्जा करने के लिए 0.3 मिमी के अंतराल के साथ देरी चरण, ले जाएँ या480 पुनश्च तक हर 20 पी एस छवि पर कब्जा करने के लिए 3 मिमी के अंतराल के साथ.
  3. Repeatability और सटीकता के लिए कई बार के लिए 4.2 चरण दोहराएँ.
  4. फोकल लेंस के बारे में 50 माइक्रोन का केन्द्र बिन्दु से दूर दूरी को नीचे ले जाएँ, और 4.3 चरण दोहराएँ.

5. प्रतिनिधि परिणाम

मापा छाया - चित्र चित्र छवि में दिखाया जाता है. 2 और छवि. 3, थोड़ा ऊपर और नीचे लक्ष्य सतह केन्द्र बिन्दु, क्रमशः के लिए. अनुदैर्ध्य और रेडियल विस्तार के पदों छवि में प्लॉट किए जाते हैं. 4 और अंजीर. 5. पहले 100 पी एस में इन दो मामलों के अनुदैर्ध्य विस्तार काफी अलग हैं, तथापि, निम्नलिखित पी एस 400 और उनके रेडियल विस्तार में अपनी अनुदैर्ध्य विस्तार के समान हैं. पहले मामले के लिए, 100 पी एस के भीतर प्रारंभिक प्लाज्मा एक आयामी विस्तार कई परतों से मिलकर संरचना है. दूसरे मामले में, जल्दी pl के लिएअस्मा विस्तार दो आयामी संरचना है कि बहुत ज्यादा पी एस भीतर 100 को बदल नहीं करता है.

अनुकरण मॉडल के लिए 12 प्रारंभिक प्लाज्मा विकास के तंत्र की जांच करने के लिए प्रयोग किया जाता है. समय शून्य समय जब लेजर पल्स शिखर लक्ष्य सतह तक पहुँच के रूप में परिभाषित किया गया है. नकली जल्दी प्लाज्मा विकास प्रक्रियाओं मापा परिणामों के साथ इन दोनों मामलों की दोनों के लिए अच्छी तरह से सहमत हैं, के रूप में छवि में दिखाया गया है. 6 और अंजीर. 7, क्रमशः. 1 पी एस भीतर जल्दी प्लाज्मा का गठन भी पहले अनुकार मॉडल का उपयोग कर मामले के लिए भविष्यवाणी की है और छवि में दिखाया गया है. 8. जल्दी प्लाज्मा के लिए एक हवा टूटने क्षेत्र और एक घन प्लाज्मा क्षेत्र में पाया जाता है. पहले बहु - फोटोन ionization द्वारा हवा टूटने के कारण होता है और तो हिमस्खलन ionization द्वारा पीछा किया. दूसरे मामले के लिए, तथापि, केन्द्र बिन्दु लक्ष्य सतह से नीचे है और कोई अलग से हवा टूटने क्षेत्र का गठन किया है. इसके बजाय, हवा ionization के घन पीएलए के पास होता हैsma सामने और प्रभाव ionization के घन लक्ष्य से मुक्त इलेक्ट्रॉनों ejected के कारण के कारण होता है.

चित्रा 1
चित्रा 1 एक्स - रे फ़ोटो पंप जांच माप के योजनाबद्ध.

चित्रा 2
चित्रा सतह से थोड़ा ऊपर केन्द्र बिन्दु के साथ 2. घन लगातार देरी समय पर प्लाज्मा विस्तार. 800 एनएम, स्पंद अवधि: लेजर तरंग दैर्ध्य 100 एफएस; शक्ति घनत्व: 4.2 × 10 14 डब्ल्यू / 2 सेमी; लक्ष्य: घन.

चित्रा 3
चित्रा 3. सतह से थोड़ा नीचे केन्द्र बिन्दु के साथ घन लगातार देरी समय पर प्लाज्मा विस्तार. 800 एनएम, स्पंद अवधि: लेजर तरंग दैर्ध्य 100 एफएस; शक्ति घनत्व: 4.2 × 10 14 डब्ल्यू / 2 सेमी; लक्ष्य: घन.

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चित्रा 4 प्लाज्मा अनुदैर्ध्य और सतह से थोड़ा ऊपर केन्द्र बिन्दु के साथ लगातार देरी समय पर रेडियल विस्तार पदों. 800 एनएम, स्पंद अवधि: लेजर तरंग दैर्ध्य 100 एफएस; शक्ति घनत्व: 4.2 × 10 14 डब्ल्यू / 2 सेमी; लक्ष्य: घन.

चित्रा 5
चित्रा 5 प्लाज्मा अनुदैर्ध्य और रेडियल विस्तार पदों सतह से थोड़ा नीचे केन्द्र बिन्दु के साथ लगातार देरी समय पर. 800 एनएम, स्पंद अवधि: लेजर तरंग दैर्ध्य 100 एफएस; शक्ति घनत्व: 4.2 × 10 14 डब्ल्यू / 2 सेमी; लक्ष्य: घन.

चित्रा 6 मापा और 70 पी एस के एक देरी समय के भीतर गणना की सतह से थोड़ा ऊपर केन्द्र बिन्दु के साथ प्लाज्मा विस्तार के एनिमेशन. 800 एनएम, स्पंद अवधि: लेजर तरंग दैर्ध्य, 100 एफएस शक्ति घनत्व: 4.2 × 14 10 2 सेमी; लक्ष्य: घन एनीमेशन देखने के लिए यहाँ क्लिक करें .

7 चित्रा मापा और 70 पी एस के एक देरी समय के भीतर गणना की सतह से थोड़ा नीचे केन्द्र बिन्दु के साथ प्लाज्मा विस्तार के एनिमेशन. 800 एनएम, स्पंद अवधि: लेजर तरंग दैर्ध्य 100 एफएस; शक्ति घनत्व: 4.2 × 10 14 डब्ल्यू / सेमी 2, लक्ष्य: घन एनीमेशन देखने के लिए यहाँ क्लिक करें .

8 चित्रा मापा और 1 पी एस के एक देरी समय के भीतर गणना सतह से थोड़ा ऊपर केन्द्र बिन्दु के साथ प्लाज्मा विस्तार एनिमेशन. 800 एनएम, स्पंद अवधि: लेजर तरंग दैर्ध्य 100 एफएस; शक्ति घनत्व: 4.2 × 10 14 डब्ल्यू / सेमी 2, लक्ष्य: घन एनीमेशन देखने के लिए यहाँ क्लिक करें </ A> देखें.

Discussion

माप और अनुकरण इस अखबार में प्रस्तुत तरीकों जल्दी प्लाज्मा गतिशीलता और ionization के तंत्र के लिए दोनों हवा और घन का एक बेहतर समझ के और अधिक सटीक परीक्षाओं सकें. उच्च गुणवत्ता प्लाज्मा संरचनाओं 1 पी एस और 1 माइक्रोन की एक स्थानिक संकल्प की एक अस्थायी समाधान के साथ कब्जा कर रहे हैं. यह माप एक उच्च repeatability के भी है. महत्वपूर्ण प्रक्रिया किरण बहुत अच्छी तरह से संरेखित करें और एक उच्च के रूप में के रूप में अच्छी तरह से एक कम खुरदरापन उदासी के साथ एक लक्ष्य की सतह तैयार है.

यह दृष्टिकोण अन्य लक्ष्य सामग्री और विभिन्न लेजर मापदंडों को लागू किया जा सकता है. छाया - चित्र पंप जांच पद्धति का ही सीमा एक बहुत कम इलेक्ट्रॉन संख्या घनत्व भिन्नता है.

Disclosures

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

Acknowledgements

लेखकों के राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (CMMI 0,653,578, CBET, 0,853,890 अनुदान नहीं) द्वारा इस अध्ययन के लिए वित्तीय सहायता प्रदान करने के लिए कृतज्ञता से स्वीकार करते हैं इच्छा.

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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