超短激光脉冲诱导的等离子体演化早期的调查

Engineering
 

Summary

实验方法来研究早期的超短激光脉冲诱导的等离子体演化描述。使用这种方法,早期血浆中的高品质的图像,得到高时空分辨率。一种新型的集成原子模型被用来模拟和解释早期血浆机制。

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

由于目标的高强度激光照射和随后的目标物质电离产生早期血浆。在激光材料相互作用及其动力学1显着的作用,尤其是在空气环境1-11。

早期血浆进化已被抓获,通过泵式的探头shadowgraphy 1-3 1,4-7干涉。然而,研究的时间框架和应用的激光参数范围是有限的。例如,血浆前的位置和电子数密度与激光脉冲的峰值延迟时间为100皮秒(ps)内直接考试仍然很少,尤其是持续时间超短脉冲约100飞秒(fs)的,周围10〜14瓦/厘米2的功率密度低。在这些条件下产生的早期血浆最近被抓获,高时空分辨率12。详细的设置策略和本文将说明这种高精度测量程序。测量的基本原理是眼镜的泵探针shadowgraphy的:一个超短激光脉冲被分裂泵脉冲和探测脉冲,而它们之间的延迟时间可以调整,通过改变其光束路径长度。泵脉冲烧蚀的目标,并生成早期血浆和探测脉冲传播通过血浆地区和检测电子数密度非均匀性。此外,动画生成号的仿真模型的计算结果。12,说明等离子体的形成和演化具有非常高的分辨率(0.04〜1个PS)。

实验方法和模拟方法可应用于广泛的时限和激光参数。这些方法可以用来研究早期血浆产生的不仅是金属,但也从半导体和绝缘体。

Protocol

1。光学系统的安装(图1)

  1. 设立一个半波片和偏振片调整激光脉冲能量的激光输出。
  2. 成立后,分裂的两个脉冲激光脉冲的偏光分光镜:泵脉冲和探测脉冲。
  3. 使用4个反射镜和一本手册的翻译阶段兴建泵脉冲光延迟装置。
  4. 使用另外四个反射镜引导泵脉冲到达靶面垂直。
  5. 设置二次谐波发生器(SHG)从800纳米到400纳米的激光脉冲的波长变换。
  6. 使用传输800 nm脉冲谐波分离和反映的400纳米脉冲。
  7. 成立束减速和灶性镜片的的一双调整探头脉冲的大小和收敛。
  8. 设立另一个光学延迟装置,如在步骤1.3中提到的探测脉冲。
  9. 使用光圈环来调整该地区的脉冲探头,确保探头的脉冲传递水平和目标表面相交泵脉冲。
  10. 成立两个物镜和几个过滤器产生的等离子体区域的形象,要加强电荷耦合装置(ICCD)相机收到。
  11. 连接电脑,激光,ICCD相机和它的控制器使用BNC电缆或USB电缆。
  12. 调整相机控制器的延迟时间,直到摄像头捕捉图像探头脉冲。因此,探测脉冲和相机是同步的。

2。泵探针同步

  1. 放置在路口泵脉冲和探测脉冲分光镜,并成立了两个光电二极管接收这两个脉冲。这两个光电二极管应该有一个相同的距离,离分光镜。
  2. 使用这两个光电二极管接收信号,示波器和移动泵脉冲光束路径上的延迟阶段,直到亲文件泵脉冲和探测脉冲在示波器屏幕上互相重叠。由于示波器的时间分辨率达到20 ps的精度。
  3. 卸下分光镜和步骤2.1中提到的两个光电二极管。
  4. 调整泵脉冲光束路径上的延迟阶段可能只是见ICCD屏幕上观察到的空气击穿区域。当空气击穿形成一个统一的背景,而不是可检测的时间确定为延迟时间为零。

3。采样和阶段作准备

  1. 成立一个实验室插孔和两个手动线性阶段以三自由度移动样品。
  2. 使用千分表和高精密垫片,实现了高平整度的阶段。高度差应在1微米每25.4毫米的距离。
  3. 切输出表的铜方片厚度为0.8毫米(30毫米×30毫米),使用铣床机。
  4. 擦亮的铜件窄边(30毫米×0.8毫米),直到表面粗糙度为0.5微米以下。
  5. 修复铜件抛光窄面朝上顶端手册阶段。
  6. 步骤3.1)中提到的目标,同时监测通过ICCD相机等任何倾斜,可以通过插入以下目标的高精度垫片调整它的位置移动了一本手册阶段。
  7. 重复步骤3.6与其他手册阶段。
  8. 第三精度高手册阶段而有所不同焦距镜头的位置,钻一个孔打在目标上。焦点位置相对应的焦距镜头,其中最小的孔钻的位置。

4。消融和测量

  1. 将焦距镜头离中心点约50微米的距离。
  2. 移动探头上的脉冲光束路径的延迟阶段捕捉到10 ps的图像,每2个PS 0.3毫米的间隔,或3毫米的间隔捕获图像每20 PS至480 PS。
  3. 重复多次的重复性和准确性的步骤4.2。
  4. 将焦距镜头离中心点约50μm的距离,并重复步骤4.3。

5。代表结果

如图测量的阴影图像。 2图。 3,略高于低于目标表面的中心点,分别。纵向和径向膨胀位置绘制。 4图。 5。在第100 PS这两种情况下的纵向扩展有显着不同;然而,在下面的400 PS和径向扩展其纵向扩展是相似的。对于第一种情况下,早在100 ps的等离子体具有一维扩展结构,由多个层组成。对于第二种情况,早期的PL阿斯玛有一个两维的扩展结构,这并不能改变在100 ps的非常。

12的仿真模型,用于调查的早期血浆演化机制。被定义为时间零点时,激光脉冲的峰值达到目标表面。模拟早期的等离子演化过程以及与这两种情况下的测量结果一致, 如图所示。 6图。 7,分别为。首次采用仿真模型的情况下形成的早期血浆内1个PS还预测图。 8。早期的血浆被发现有一个空气击穿区域和Cu等离子体区域。第一所造成的空气击穿多光子电离,雪崩电离。然而,对于第二种情况,重点是以下目标表面,并没有单独的空气击穿区域形成。相反,发生空气电离附近的铜解放军SMA前,并造成影响电离由于喷出的自由电子从铜的目标。

图1
图1。泵探针阴影测量示意图。

图2
图2。铜在连续的延迟时间与等离子体膨胀略高于表面的焦点。激光波长:800纳米,脉冲宽度为100 fs;功率密度:4.2×10 14瓦/厘米2;目标:铜。

图3
图3。铜在连续的延迟时间与联络点,略低于表面的等离子体膨胀。激光波长:800纳米,脉冲宽度为100 fs;功率密度:4.2×10 14瓦/厘米2;目标:铜。

<IMG ALT =“图4”的src =“/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg”/>
图4。等离子纵向和径向膨胀略高于表面的焦点位置在连续的延迟时间。激光波长:800纳米,脉冲宽度为100 fs;功率密度:4.2×10 14瓦/厘米2;目标:铜。

图5
图5。血浆纵向和径向膨胀职位,在连续的延迟时间与联络点,略低于表面。激光波长:800纳米,脉冲宽度为100 fs;功率密度:4.2×10 14瓦/厘米2;目标:铜。

图6。动画的测量和计算了70 ps的延迟时间内的血浆扩张略高于表面的焦点。激光波长:800纳米,脉冲宽度100 fs的功率密度:4.2×10 14 厘米 ;目标:铜。 点击这里查看动画

图7。动画的测量和计算了70 ps的延迟时间内血浆扩张略低于表面的焦点。激光波长:800纳米,脉冲宽度为100 fs;功率密度:4.2×10 14瓦/厘米2;目标:铜。 点击这里查看动画

图8。动画的测量和计算的延迟时间在1个PS血浆扩大略高于表面的焦点。激光波长:800纳米,脉冲宽度为100 fs;功率密度:4.2×10 14瓦/厘米2;目标:铜点击这里查看动画</ A>。

Discussion

本文提出的测量和模拟方法可以​​更准确的检查早期等离子体动力学和更好地了解空气和铜的电离机制。高品质的等离子体结构捕获了1个PS和1微米的空间分辨率,时间分辨率。这种测量方法具有较高的重复性。关键步骤是对准光束非常好,准备与高平整度以及低粗糙度目标表面。

这种方法可以应用到其他目标的材料和各种激光参数。泵探针阴影方法唯一的限制是一个过低的电子数密度的变化。

Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgements

作者希望感谢这项研究由国家自然科学基金(批准号:CMMI-0653578,CBET-0853890),提供金融支持。

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