Gransking av Tidlig Plasma Evolution indusert av Ultrakorte laser pulser

Engineering
 

Summary

En eksperimentell metode for å undersøke den tidlige plasma evolusjonen indusert av Ultrakorte laser pulser er beskrevet. Ved hjelp av denne metoden, er bilder av høy kvalitet for tidlig plasma oppnås med høye timelige og romlig oppløsning. En roman integrert atomistisk modellen brukes til å simulere og forklare mekanismene for tidlig plasma.

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

Tidlig plasma genereres på grunn av høy intensitet laser bestråling av målet og den påfølgende målet materialet ionisering. Dens dynamikk spiller en betydelig rolle i laser-materiale interaksjon, spesielt i luften miljøet 1-11.

Tidlig plasma evolusjon har blitt fanget gjennom pumpe-sonde shadowgraphy 1-3 og interferometri 1,4-7. Imidlertid er studert tidsrammer og anvendt laser parameter områder begrenset. For eksempel, direkte undersøkelser av plasma foran steder og elektron nummer tettheter innenfor en tidsforsinkelse på 100 picosecond (ps) med hensyn til laserpulsen toppen er fortsatt veldig få, spesielt for Ultrakorte pulsen på en varighet rundt 100 femtosecond (FS) og en lav tetthet rundt 10 14 W / cm 2. Tidlig plasma generert under disse forholdene har bare blitt tatt nylig med høye timelige og romlig oppløsning 12. Den detaljerte oppsett strategi ogprosedyrene i denne høye presisjon målingen vil bli illustrert i dette papiret. Begrunnelsen for målingen er optisk pumpe-sonde shadowgraphy: en Ultrakorte laser puls er splittet til en pumpe puls og en sonde puls, mens forsinkelsen mellom dem kan justeres ved å endre sine strålebanen lengder. Pumpen puls ablates målet og genererer tidlig plasma, og sonden puls forplanter seg gjennom plasma regionen og oppdager ikke-enhetlig elektron nummer tetthet. I tillegg er animasjonene generert ved hjelp av de beregnede resultatene fra simuleringsmodellen av Ref. Tolv for å illustrere plasma dannelsen og utviklingen med en meget høy oppløsning (0,04 ~ 1 ps).

Både eksperimentell metode og simulering metoden kan brukes til et bredt spekter av tidsrammer og laser parametere. Disse metodene kan brukes til å undersøke den tidlige plasma genereres ikke bare fra metaller, men også fra halvledere og isolatorer.

Protocol

1. Optisk System Setup (Fig. 1)

  1. Sett opp en halv bølge plate og en polarisasjonsfilter etter laserutskrifter å justere laser puls energi.
  2. Sett opp en bjelke splitter etter polarisatoren å splitte laserpulsen til to pulser: pumpe puls og sonde puls.
  3. Bruk fire reflekterer speil og en manuell translasjonell scene å konstruere en optisk forsinkelse enhet for pumpen puls.
  4. Bruk en annen fire reflekterende speil for å veilede pumpen pulsen å nå målet overflaten vertikalt.
  5. Sett opp en andre harmonisk generator (SHG) å transformere laserpulsen bølgelengde fra 800 nm til 400 nm.
  6. Bruk en harmonisk separator å overføre den 800 nm puls og reflektere 400-nm puls.
  7. Sett opp en bjelke redusering og et par focally linser for å justere størrelsen og konvergens av sonden puls.
  8. Sett opp en annen optisk forsinkelse enhet, som nevnt i trinn 1.3, for sonden puls.
  9. Bruk en Iris ring å justere området avsonde puls og påse at sonden pulsen passerer målet overflaten horisontalt og skjærer med pumpen puls.
  10. Sett opp to objektiv og flere filtre for å generere bildet av plasma-regionen til å bli mottatt av intensivert kostnad-coupled device (ICCD) kamera.
  11. Koble datamaskinen, laseren, den ICCD kamera og dens styringen med BNC kabler eller USB-kabler.
  12. Juster forsinkelse av kameraet kontrolleren til kameraet tar et bilde av sonden puls. Dermed blir sonden puls og kameraet synkronisert.

2. Pump-probe Synkronisering

  1. Plasser en bjelke splitter i skjæringspunktet av pumpen puls og sonden puls, og satt opp to fotodioder å motta disse to pulser. Disse to fotodioder bør ha en samme avstand fra bjelke splitter.
  2. Bruk et oscilloskop til å motta signalene fra disse to fotodioder, og flytte forsinkelsen scenen på pumpen pulsen strålebanen til profiler av pumpen puls og sonden pulsen overlapper med hverandre på oscilloskop skjermen. En nøyaktighet på 20 ps oppnås på grunn av tidsmessige oppløsningen av oscilloskop.
  3. Fjern Beam Splitter og de to fotodioder som nevnt i trinn 2.1.
  4. Juster forsinkelse scenen på pumpen pulsen strålebanen til luften sammenbrudd regionen kunne bare observeres på ICCD skjermen. Tiden da dannelsen av luft sammenbrudd kunne påvises i stedet for en uniform bakgrunn er fastsatt som forsinkelse null.

3. Smak og Stage Forberedelse

  1. Sett opp en lab-jack og to manuelle lineære trinn for å flytte prøven med tre grader av frihet.
  2. Bruk en ekstern indikator og høy presisjon shims for å oppnå en høy flathet av scenene. Høydeforskjellen bør være innen 1 mikrometer per en avstand på 25,4 mm.
  3. Skjær et firkantet stykke (30 mm × 30 mm) ut av en Cu ark med en tykkelse på 0,8 mm ved hjelp av en fresmaskin.
  4. Poler en smal side (30 mm × 0,8 mm) for Cu stykke til overflateruhet er under 0,5 mikrometer.
  5. Fest Cu stykke på toppen manualen scenen med den polerte smale ansiktet opp.
  6. Flytt målet med en manuell scenen som nevnt i trinn 3,1) mens overvåke sin posisjon via ICCD kameraet slik at enhver tilt kan justeres ved å sette høy presisjon shims under målet.
  7. Gjenta trinn 3.6 med den andre manuelle scenen.
  8. Bor et dusin hull på målet mens variere plasseringen av fokale objektiv med en tredjedel høy nøyaktighet manuell scenen. Navet plassering tilsvarer plasseringen av fokale objektiv der den minste hull er boret.

4. Ablasjon og måling

  1. Flytt fokus objektivet opp til en avstand på ca 50 mikrometer unna fokuspunkt.
  2. Flytt forsinkelse scenen på sonden pulsen strålebanen med et intervall på 0,3 mm for å ta bildet hver 2 ps til 10 ps, ​​ellermed et intervall på 3 mm for å ta bildet hvert 20 ps til 480 ps.
  3. Gjenta trinn 4.2 for flere ganger for repeterbarhet og nøyaktighet.
  4. Flytt fokus linsen ned til en avstand av ca 50 mikrometer unna fokuspunkt, og gjenta trinn 4.3.

5. Representative Resultater

De målte shadowgraph Bildene er vist i fig. 2 og fig. 3, for navet litt over og under målet overflaten, henholdsvis. De langsgående og radiell ekspansjon posisjoner er plottet i fig. 4 og fig. 5. De langsgående utvidelser av disse to sakene i den første 100 HK er vesentlig forskjellige, men deres langsgående utvidelser i følgende 400 ps og deres radial utvidelser er like. For det første tilfellet, har tidlig plasma innen 100 HK en en-dimensjonal utvidelse struktur bestående av flere lag. For det andre tilfellet, tidlig plAsma har en to-dimensjonal ekspansjon struktur som ikke endrer seg veldig mye innenfor 100 ps.

Simuleringsmodellen 12 brukes til å undersøke mekanismen for tidlig plasma evolusjon. Tid null er definert som den tiden da laserpulsen topp når målet overflaten. De simulerte tidlige plasma evolusjon prosesser enige godt med de målte resultatene for begge disse to tilfellene, som vist i fig. 6 og fig. 7, henholdsvis. Dannelsen av den tidlige plasma innen 1 PS er også spådd for det første tilfellet ved hjelp av simuleringsmodell og vist i fig. 8. Den tidlige plasma er funnet å ha en luft sammenbrudd region og en Cu plasma region. Luften sammenbrudd er første forårsaket av multi-foton ionisering og deretter fulgt av snøskred ionisering. For det andre tilfellet, derimot, er det sentrale punktet under målet overflaten og ingen egen luft sammenbrudd regionen er dannet. I stedet oppstår luft ionisering nær Cu PLASMA foran og er forårsaket av støt ionisering på grunn av de frie elektronene kastet ut fra Cu målet.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk av pumpen-sonden shadowgraph måling.

Figur 2
Figur 2. Cu plasma utvidelse ved suksessive tidsforsinkelse med navet litt over overflaten. Laser bølgelengde: 800 nm, pulsvarighet: 100 fs; strømtetthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.

Figur 3
Figur 3. Cu plasma utvidelse ved suksessive tidsforsinkelse med navet litt under overflaten. Laser bølgelengde: 800 nm, pulsvarighet: 100 fs; strømtetthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.

<img alt = "Figur 4" src = "/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg" />
Figur 4. Plasma langsgående og radielle utvidelse stillinger ved suksessive tidsforsinkelse med navet litt over overflaten. Laser bølgelengde: 800 nm, pulsvarighet: 100 fs; strømtetthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.

Figur 5
Figur 5. Plasma langsgående og radielle utvidelse stillinger under påfølgende forsinkelse ganger med navet litt under overflaten. Laser bølgelengde: 800 nm, pulsvarighet: 100 fs; strømtetthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.

Figur 6. Animasjon av målt og beregnet plasma ekspansjon innenfor en tidsforsinkelse på 70 ps med navet litt over overflaten. Laser bølgelengde: 800 nm, pulsvarighet: 100 fs; strømtetthet: 4.2 × 10 14 2, mål: Cu. Klikk her for å vise animasjon .

Figur 7. Animasjon av målt og beregnet plasma ekspansjon innenfor en tidsforsinkelse på 70 ps med navet litt under overflaten. Laser bølgelengde: 800 nm, pulsvarighet: 100 fs; strømtetthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu. Klikk her for å vise animasjon .

Figur 8. Animasjon av målt og beregnet plasma ekspansjon innenfor en forsinkelse av en ps med navet litt over overflaten. Laser bølgelengde: 800 nm, pulsvarighet: 100 fs; strømtetthet: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål:. Cu Klikk her for å vise animasjon </ A>.

Discussion

Måling og simulering metoder presenteres i denne artikkelen gi mer nøyaktige undersøkelser av de tidlige plasma dynamikk og en bedre forståelse av ionisering mekanismer for både luft og Cu. Høy kvalitet plasma strukturer blir fanget med en temporal oppløsning på en ps og en romlig oppløsning på 1 mikrometer. Denne målingen har en høy repeterbarhet også. Den kritiske prosedyre er å justere strålen meget godt og forberede et mål overflate med en høy flathet samt en lav ruhet.

Denne tilnærmingen kan brukes til andre målgrupper materialer og ulike laser parametere. Den eneste begrensning på pumpen-sonde shadowgraph metoden er en for lav elektron nummer tetthet variasjon.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker å takke for den økonomiske støtten for denne studien av National Science Foundation (Grant No: 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