Enquête de l'évolution rapide du plasma induite par lasers engendrent des impulsions

Engineering
 

Summary

Une méthode expérimentale pour étudier l'évolution du plasma début induite par lasers engendrent des impulsions est décrite. En utilisant cette méthode, des images de haute qualité de plasma au début sont obtenus avec de hautes résolutions spatiales et temporelles. Un roman modèle intégré atomistique est utilisé pour simuler et d'expliquer les mécanismes de plasma au début.

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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

Plasmatique précoce est généré grâce à l'irradiation laser de haute intensité de la cible et l'ionisation cible suivante matériau. Sa dynamique joue un rôle important dans l'interaction laser-matière, en particulier dans l'environnement de l'air 1-11.

L'évolution du plasma précoce a été repris par pompe-sonde ombroscopie 1-3 et interférométrie 1,4-7. Cependant, les plages étudiées délais et appliquées paramètres laser sont limités. Par exemple, examens directs de logements avant et la densité du plasma d'électrons dans un temps de retard de 100 picosecondes (ps) par rapport à la crête d'impulsion laser sont encore très peu, en particulier pour l'impulsion ultracourte d'une durée d'environ 100 femtosecondes (fs) et une faible densité de puissance d'environ 10 14 W / cm 2. Au début du plasma généré dans ces conditions n'a été capturé récemment avec de hautes résolutions spatiales et temporelles 12. La stratégie d'installation détaillé etprocédures de cette mesure de haute précision sera illustrée dans le présent document. La justification de la mesure est optique pompe-sonde ombroscopie: un ultra-laser à impulsions est divisée à une impulsion de pompe et d'une impulsion sonde, alors que le temps de retard entre eux peut être ajustée en changeant leurs longueurs du trajet du faisceau. L'impulsion de pompe ablate la cible et génère le plasma début, et l'impulsion de sonde se propage à travers la région de plasma et détecte la non-uniformité de la densité nombre d'électrons. En outre, des animations sont générées en utilisant les résultats calculés à partir du modèle de simulation de la Réf. De 12 à illustrer la formation de plasma et de l'évolution avec une très haute résolution (0,04 ~ 1 ps).

Tant la méthode expérimentale et la méthode de simulation peut être appliquée à un large éventail de délais et paramètres du laser. Ces méthodes peuvent être utilisées pour examiner le plasma généré au début non seulement à partir de métaux, mais aussi de semi-conducteurs et des isolants.

Protocol

1. De configuration du système optique (Fig. 1)

  1. Mettre en place une plaque demi-onde et un polariseur à la suite de la sortie laser pour ajuster l'énergie d'impulsion laser.
  2. Mettre en place un séparateur de faisceau après le polariseur de diviser l'impulsion laser à deux impulsions: impulsions pompe et sonde d'impulsion.
  3. Utilisez les quatre miroirs réfléchissants et une étape manuelle de translation de construire un dispositif de retard optique pour l'impulsion de pompe.
  4. Utiliser un autre miroirs réfléchissants quatre à guider l'impulsion de pompe d'atteindre la surface de cible verticalement.
  5. Mettre en place un générateur de seconde harmonique (SHG) pour transformer la longueur d'onde laser à impulsions de 800 nm à 400 nm.
  6. Utilisation d'un séparateur harmonique pour transmettre l'impulsion de 800 nm et de réfléchir l'impulsion de 400 nm.
  7. Mettre en place un réducteur de faisceau et une paire de lentilles focalement pour ajuster la taille et la convergence de l'impulsion de sonde.
  8. Mettre en place un autre dispositif de retard optique, tel que mentionné dans l'étape 1.3, pour l'impulsion de sonde.
  9. Utilisez une bague Iris pour ajuster la zone de l'impulsion sonde et assurez-vous passer l'impulsion de sonde sur la surface cible horizontalement et se croisent avec l'impulsion de la pompe.
  10. Mettre en place deux lentilles de l'objectif et les filtres plusieurs pour générer l'image de la région de plasma à être reçu par le intensifiée charge-coupled device (ICCD) appareil photo.
  11. Connectez l'ordinateur, le laser, la caméra ICCD et son contrôleur en utilisant des câbles BNC ou des câbles USB.
  12. Réglez le temps de retard du contrôleur de caméra jusqu'à ce que la caméra capture une image de l'impulsion de la sonde. Ainsi, l'impulsion de sonde et la caméra sont synchronisés.

2. Pompe-sonde de synchronisation

  1. Placer un séparateur de faisceau à l'intersection de l'impulsion de pompe et l'impulsion de sonde, et mettre en place deux photodiodes pour recevoir ces deux impulsions. Ces deux photodiodes doit avoir une même distance à partir du séparateur de faisceau.
  2. Utilisation d'un oscilloscope à recevoir les signaux de ces deux photodiodes, et déplacer l'étage de retard sur la trajectoire du faisceau d'impulsions de pompe jusqu'à la profichiers de l'impulsion de pompe et l'impulsion de sonde se chevauchent les uns avec les autres sur l'écran de l'oscilloscope. Une précision de 20 ps est atteint en raison de la résolution temporelle de l'oscilloscope.
  3. Retirer le faisceau et le séparateur des deux photodiodes comme mentionné à l'étape 2.1.
  4. Réglez l'étage de retard sur le trajet du faisceau pompe d'impulsion jusqu'à la région de ventilation de l'air pourrait être simplement observé sur l'écran le document ICCD. Le moment où la formation de ventilation d'air peut être détecté au lieu d'un fond uniforme est déterminée comme temps de retard nulle.

3. Des échantillons et de préparation du stade

  1. Mettre en place un laboratoire-jack et deux platines linéaires manuelles, afin de déplacer l'échantillon avec trois degrés de liberté.
  2. Utiliser un comparateur et des cales de haute précision pour atteindre une planéité élevée des stades. La différence de hauteur doit être à moins de 1 pm par une distance de 25,4 mm.
  3. Couper une pièce carrée (30 mm x 30 mm) sur une feuille de Cu ayant une épaisseur de 0,8 mm en utilisant un broyageMachine.
  4. Polir un côté étroit (30 mm x 0,8 mm) de la pièce de Cu jusqu'à ce que la rugosité de surface est inférieur à 0,5 um.
  5. Fixer la pièce Cu sur la scène mode haut avec la face polie étroite vers le haut.
  6. Déplacez la cible par une étape manuelle tel que mentionné dans l'étape 3.1), tandis que de surveiller sa position par l'intermédiaire de la caméra ICCD telle que toute inclinaison peut être ajusté en insérant des cales de haute précision en dessous de la cible.
  7. Répétez l'étape 3.6 avec le stade autre manuel.
  8. Percer une douzaine de trous sur la cible tandis varier la position de la lentille focale par une troisième étape de haute précision manuelle. L'emplacement du point focal correspondant à la position de la lentille focale la plus petite lorsque le trou est foré.

4. Ablation et évaluation

  1. Déplacer la lentille focale jusqu'à une distance d'environ 50 um de distance du point focal.
  2. Déplacer l'étage de retard sur la voie de faisceau sonde d'impulsions avec un intervalle de 0,3 mm à capturer l'image tous les ps 2 ps jusqu'à 10, ouavec un intervalle de 3 mm pour capturer l'image tous les ps 20 jusqu'à 480 ch.
  3. Répétez l'étape 4.2 à plusieurs reprises pour la répétabilité et l'exactitude.
  4. Déplacez la lentille de focale vers le bas à une distance d'environ 50 um loin du point focal, et répétez l'étape 4.3.

5. Les résultats représentatifs

Les images sont mesurées ont montré dans la figure. 2 et Fig. 3, pour le point focal légèrement au-dessus et au-dessous de la surface de la cible, respectivement. Les positions d'extension longitudinale et radiale sont tracées dans la Fig. 4 et Fig. 5. Les dilatations longitudinales de ces deux cas dans la première tranche de 100 ps sont significativement différentes, mais leurs dilatations longitudinales dans les domaines suivants 400 ps et leurs expansions radiales sont similaires. Pour le premier cas, le plasma au début à moins de 100 ps a une structure d'expansion unidimensionnelle constituées de plusieurs couches. Pour le second cas, au début des années plasma a une structure d'expansion à deux dimensions qui ne change pas beaucoup à moins de 100 ps.

Le modèle 12 de simulation est utilisée pour étudier le mécanisme de l'évolution du plasma au début. Temps zéro est défini comme le moment où l'impulsion laser atteint la surface de crête cible. Les simulations de début des processus d'évolution du plasma sont en bon accord avec les résultats mesurés pour chacun de ces deux cas, comme indiqué dans la Fig. 6 et Fig. 7, respectivement. La formation du plasma précoce au sein de 1 ps est également prévue pour le premier cas en utilisant le modèle de simulation et montré dans la figure. 8. Le plasma se trouve au début d'avoir une région ventilation de l'air et une région de plasma Cu. La ventilation de l'air est d'abord causée par ionisation multi-photons, puis suivie par ionisation d'avalanche. Pour le second cas, cependant, le point focal est en dessous de la surface de la cible et aucune région d'air séparé ventilation est formé. Au lieu de cela, ionisation de l'air se produit à proximité de la pla CuSMA avant et est provoquée par l'ionisation par impact en raison des électrons libres éjectées de la cible de Cu.

Figure 1
Figure 1. Schéma de la mesure ombroscopie pompe-sonde.

Figure 2
Figure 2. Cu plasmatique d'expansion au temps de retard successifs avec le point focal légèrement au-dessus de la surface. Longueur d'onde laser: 800 nm; durée d'impulsion: 100 fs; densité de puissance: 4,2 × 10 14 W / cm 2; cible: Cu.

Figure 3
Figure 3. Cu plasmatique d'expansion au temps de retard successifs avec le point focal légèrement en dessous de la surface. Longueur d'onde laser: 800 nm; durée d'impulsion: 100 fs; densité de puissance: 4,2 × 10 14 W / cm 2; cible: Cu.

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Figure 4. Plasma longitudinale et les positions d'expansion radiale à temps de retard successifs avec le point focal légèrement au-dessus de la surface. Longueur d'onde laser: 800 nm; durée d'impulsion: 100 fs; densité de puissance: 4,2 × 10 14 W / cm 2; cible: Cu.

Figure 5
Figure 5. Plasma longitudinale et les positions d'expansion radiale au temps de retard successifs avec le point focal légèrement en dessous de la surface. Longueur d'onde laser: 800 nm; durée d'impulsion: 100 fs; densité de puissance: 4,2 × 10 14 W / cm 2; cible: Cu.

Figure 6. Animation de l'expansion du plasma mesurées et calculées dans un délai de 70 ps avec le point focal légèrement au-dessus de la surface. Densité de puissance; 100 fs:: 4,2 × 10 14;: Longueur d'onde laser 800 nm durée d'impulsion 2; cible: Cu. Cliquez ici pour voir l'animation .

Figure 7. Animation de l'expansion du plasma mesurées et calculées dans un délai de 70 ps avec le point focal légèrement en dessous de la surface. Longueur d'onde laser: 800 nm; durée d'impulsion: 100 fs; densité de puissance: 4,2 × 10 14 W / cm 2; cible: Cu. Cliquez ici pour voir l'animation .

Figure 8. Animation de l'expansion du plasma mesurées et calculées dans un délai de 1 ps avec le point focal légèrement au-dessus de la surface. Longueur d'onde laser: 800 nm; durée d'impulsion: 100 fs; densité de puissance: 4,2 × 10 14 W / cm 2; cible:. Cu Cliquez ici pour voir l'animation </ A>.

Discussion

Les méthodes de mesure et de simulation présentés dans le présent document permettra des examens plus précis de la dynamique du plasma début et une meilleure compréhension des mécanismes d'ionisation pour l'air et Cu. Hautes structures plasma de qualité sont capturées avec une résolution temporelle de 1 ps et une résolution spatiale de 1 um. Cette mesure a une répétabilité élevée trop. La procédure est critique pour aligner le faisceau très bien et préparer une surface cible avec une planéité de haute ainsi qu'un faible rugosité.

Cette approche peut être appliquée à des matériaux cibles et d'autres paramètres du laser différentes. La seule limitation de la méthode ombroscopie pompe-sonde est une variation trop faible nombre d'électrons de densité.

Disclosures

Pas de conflits d'intérêt déclarés.

Acknowledgements

Les auteurs souhaitent exprimer leur gratitude envers le soutien financier fourni pour cette étude par la National Science Foundation (Grant n °: 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

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