Indagine su Evolution Plasma precoce indotta da impulsi laser ultracorti

Engineering
 

Summary

Un metodo sperimentale per esaminare l'evoluzione primi plasma indotto da impulsi laser ultracorti è descritto. Utilizzando questo metodo, immagini di alta qualità di plasma primi si ottengono con alte risoluzioni spaziali e temporali. Un romanzo modello integrato atomistico viene utilizzato per simulare e spiegare i meccanismi di plasma precoce.

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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

Plasma precoce è generato a causa di radiazione laser ad alta intensità di target e la conseguente ionizzazione materiale bersaglio. Le dinamiche gioca un ruolo significativo nella laser-materiale interazione, soprattutto in ambiente di aria 1-11.

L'evoluzione plasma precoce è stata catturata attraverso la pompa-sonda shadowgraphy 1-3 e interferometria 1,4-7. Tuttavia, i tempi studiato ed applicato intervalli di parametri laser sono limitati. Ad esempio, esami diretti di posizioni frontali plasma e densità numero di elettroni entro un tempo di ritardo di 100 picosecondi (ps) rispetto al picco dell'impulso laser sono ancora poche, soprattutto per l'impulso ultracorto di durata circa 100 femtosecondi (fs) e una densità di potenza a bassa circa 10 14 W / cm 2. All'inizio plasma generato in queste condizioni è stato catturato solo di recente con alte risoluzioni spaziali e temporali 12. La strategia di configurazione dettagliata eprocedure di questa misurazione di alta precisione saranno illustrate in questo documento. La logica della misurazione è ottico pompa-probe shadowgraphy: un laser ad impulsi ultracorti è diviso in un impulso di pompa e un impulso di sonda, mentre il tempo di ritardo tra loro può essere regolata cambiando la loro lunghezza percorso di fascio. L'impulso di pompa ablazione il bersaglio e genera il plasma precoce, e l'impulso di sonda si propaga attraverso la regione di plasma e rileva la non uniformità della densità numero di elettroni. Inoltre, animazioni vengono generati utilizzando i risultati calcolati dal modello di simulazione di rif. 12 per illustrare la formazione di plasma ed evoluzione con una risoluzione molto elevata (0,04 ~ 1 ps).

Sia il metodo sperimentale e il metodo di simulazione può essere applicato ad un'ampia gamma di tempi e parametri del laser. Questi metodi possono essere utilizzati per esaminare il plasma generato precoce non solo da metalli, ma anche da semiconduttori e isolanti.

Protocol

1. Configurazione del sistema ottico (Fig. 1)

  1. Impostare una semionda piastra e un polarizzatore dopo l'uscita laser per regolare l'energia dell'impulso laser.
  2. Impostare un divisore di fascio dopo il polarizzatore per dividere l'impulso laser a due impulsi: impulso di pompa e impulso di sonda.
  3. Utilizzare quattro specchi riflettenti e un palco di traslazione manuale per costruire un dispositivo ottico di ritardo per l'impulso di pompa.
  4. Utilizzare altri quattro specchi riflettenti per guidare l'impulso di pompa di raggiungere la superficie bersaglio verticalmente.
  5. Impostare un generatore di seconda armonica (SHG) per trasformare la lunghezza d'onda laser ad impulsi da 800 nm a 400 nm.
  6. Usare un separatore armonica di trasmettere il 800-nm polso e riflettono la 400-nm impulsi.
  7. Impostare un riduttore trave ed una coppia di lenti focalmente per regolare la dimensione e la convergenza del l'impulso di sonda.
  8. Impostare un altro dispositivo ottico di ritardo, come indicato al punto 1.3, per l'impulso di sonda.
  9. Utilizzare un anello di Iris per regolare l'area disonda impulsi e assicurarsi che l'impulso di sonda passare la superficie di destinazione e si intersecano in orizzontale con l'impulso di pompa.
  10. Impostare due lenti di obiettivo e filtri diversi per generare l'immagine della regione di plasma per essere ricevuto dal intensificata Charge-Coupled Device (ICCD) telecamera.
  11. Collegare il computer, il laser, la fotocamera ICCD e il suo controllore tramite cavi BNC o cavi USB.
  12. Regolare il tempo di ritardo del controller della videocamera fino alla macchina fotografica cattura un'immagine del polso sonda. Così, l'impulso di sonda e la fotocamera sono sincronizzati.

2. Pump-probe sincronizzazione

  1. Posizionare un divisore di fascio nel punto di intersezione del polso pompa e l'impulso di sonda, e ha istituito due fotodiodi di ricevere questi due impulsi. Questi due fotodiodi dovrebbero avere una stessa distanza dal divisore di fascio.
  2. Utilizzare un oscilloscopio per ricevere i segnali di questi due fotodiodi, e spostare la stadio di ritardo sul percorso del fascio impulso di pompa fino al profile di impulso di pompa e l'impulso di sonda si sovrappongono tra loro sullo schermo dell'oscilloscopio. Una precisione di 20 ps viene raggiunto grazie alla risoluzione temporale dell'oscilloscopio.
  3. Rimuovere il divisore di fascio e le due fotodiodi, come indicato nel passaggio 2,1.
  4. Regolare la fase di ritardo sul percorso del fascio impulso di pompa fino alla regione di ripartizione dell'aria potrebbe semplicemente essere osservato sullo schermo ICCD. Il tempo in cui la formazione di ripartizione dell'aria potrebbe essere rilevato invece di uno sfondo uniforme è determinata come zero ritardo.

3. Preparazione del campione e stage

  1. Impostare un laboratorio-jack e due le fasi manuali lineari al fine di spostare il campione con tre gradi di libertà.
  2. Un comparatore e spessori di alta precisione per ottenere una elevata planarità delle fasi. La differenza di altezza dovrebbe essere entro 1 micron per una distanza di 25,4 mm.
  3. Tagliare un pezzo quadrato (30 mm x 30 mm) su un foglio di Cu con uno spessore di 0,8 mm utilizzando una fresatricemacchina.
  4. Lucidare un lato stretto (30 mm x 0,8 mm) del pezzo Cu fino a quando la ruvidità superficiale è inferiore a 0,5 um.
  5. Fissare il pezzo Cu sul palco manuale da tavolo con la faccia lucida stretta up.
  6. Spostare l'obiettivo da una fase manuale, come indicato al punto 3.1), mentre monitorare la sua posizione tramite la fotocamera ICCD in modo tale che qualsiasi inclinazione può essere regolato inserendo spessori di alta precisione al di sotto del target.
  7. Ripetere il passaggio 3,6 con la fase manuale altra.
  8. Eseguire una dozzina di fori sul bersaglio mentre variare la posizione della lente focale una terza fase manuale alta precisione. La posizione del punto focale corrisponde alla posizione della lente focale in cui è praticato il foro più piccolo.

4. Ablazione e di misura

  1. Spostare la lente focale fino a una distanza di circa 50 micron di distanza dal punto focale.
  2. Spostare la fase di ritardo sul percorso del fascio impulso di sonda con un intervallo di 0,3 mm per catturare l'immagine ogni 2 ps fino a 10 ps, ​​ocon un intervallo di 3 mm per catturare l'immagine ogni 20 ps fino a 480 ps.
  3. Ripetere il passaggio 4.2 per parecchie volte di ripetibilità e precisione.
  4. Spostare la lente focale fino a una distanza di circa 50 micron di distanza dal punto focale, e ripetere il punto 4.3.

5. Risultati rappresentativi

Le immagini shadowgraph misurati sono mostrati in fig. 2 e Fig. 3, per il punto focale leggermente sopra e sotto la superficie del bersaglio, rispettivamente. Le posizioni di espansione radiale e longitudinali sono riportati in Fig. 4 e Fig. 5. Le espansioni longitudinali di questi due casi i primi 100 ps sono significativamente differenti, tuttavia, le espansioni longitudinali nella seguente 400 ps e le espansioni radiali sono simili. Per il primo caso, il plasma primo raggio di 100 ps ha una struttura tridimensionale espansione costituiti da più strati. Per il secondo caso, il primo plAsma ha una struttura bidimensionale di espansione che non cambia molto nel raggio di 100 ps.

Il modello di simulazione 12 è utilizzato per studiare il meccanismo dell'evoluzione plasma precoce. Tempo zero è definito come il tempo in cui il laser ad impulsi di picco raggiunge la superficie bersaglio. I primi simulati processi di evoluzione plasma accordo con i risultati misurati per entrambi questi due casi, come mostrato in fig. 6 e Fig. 7, rispettivamente. La formazione del plasma primo raggio di 1 ps è anche previsto per il primo caso utilizzando il modello di simulazione e di fig. 8. Il plasma iniziale si trova ad avere una regione scomposizione aria e una regione di plasma Cu. La composizione dell'aria viene prima causata da multi-photon ionizzazione e poi seguita da ionizzazione valanga. Per il secondo caso, invece, il punto focale si trova sotto la superficie bersaglio e non separato regione disaggregazione aria viene formata. Invece, ionizzazione dell'aria avviene in prossimità del PLA Cufronte SMA ed è causata da ionizzazione per impatto a causa degli elettroni liberi espulsi dal bersaglio Cu.

Figura 1
Figura 1. Schematica della pompa-sonda di misurazione shadowgraph.

Figura 2
Figura 2. Cu espansione plasma in tempi successivi di ritardo con il punto focale leggermente sopra la superficie. Lunghezza d'onda: 800 nm, durata dell'impulso: 100 fs; densità di potenza: 4,2 × 10 14 W / cm 2; target: Cu.

Figura 3
Figura 3. Cu espansione plasma in tempi successivi di ritardo con il punto focale leggermente sotto la superficie. Lunghezza d'onda: 800 nm, durata dell'impulso: 100 fs; densità di potenza: 4,2 × 10 14 W / cm 2; target: Cu.

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Figura 4. Plasma longitudinali e posizioni espansione radiale in tempi di ritardo successivi con il punto focale leggermente sopra la superficie. Lunghezza d'onda: 800 nm, durata dell'impulso: 100 fs; densità di potenza: 4,2 × 10 14 W / cm 2; target: Cu.

Figura 5
Figura 5. Plasma longitudinali e posizioni espansione radiale in tempi successivi di ritardo con il punto focale leggermente sotto la superficie. Lunghezza d'onda: 800 nm, durata dell'impulso: 100 fs; densità di potenza: 4,2 × 10 14 W / cm 2; target: Cu.

Figura 6. Animazione di espansione plasma misurato e calcolato in un tempo di ritardo di 70 ps con il punto focale leggermente sopra la superficie. Lunghezza d'onda: 800 nm, durata dell'impulso: 100 fs; densità di potenza: 4,2 × 10 14 2; target: Cu. Clicca qui per visualizzare l'animazione .

Figura 7. Animazione di espansione plasma misurato e calcolato in un tempo di ritardo di 70 ps con il punto focale leggermente sotto la superficie. Lunghezza d'onda: 800 nm, durata dell'impulso: 100 fs; densità di potenza: 4,2 × 10 14 W / cm 2; target: Cu. Clicca qui per visualizzare l'animazione .

Figura 8. Animazione di espansione plasma misurato e calcolato in un tempo di ritardo di 1 ps con il punto focale leggermente sopra la superficie. Lunghezza d'onda: 800 nm, durata dell'impulso: 100 fs; densità di potenza: 4,2 × 10 14 W / cm 2; target:. Cu Clicca qui per visualizzare l'animazione </ A>.

Discussion

I metodi di misurazione e simulazione presentati in questo documento consentono esami più accurati delle dinamiche plasmatici iniziali e una migliore comprensione dei meccanismi di ionizzazione sia per aria e Cu. Strutture di plasma di alta qualità, vengono catturate con una risoluzione temporale di 1 ps e una risoluzione spaziale di 1 um. Questa misura ha una elevata ripetibilità troppo. La procedura è critico per allineare il raggio molto bene e preparare una superficie bersaglio con una elevata planarità e una bassa rugosità.

Questo approccio può essere applicato a materiali bersaglio e altri parametri laser diversi. L'unica limitazione della pompa-sonda metodo shadowgraph è un numero troppo basso di variazione della densità di elettroni.

Disclosures

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

Acknowledgements

Gli autori desiderano ringraziare con gratitudine il sostegno finanziario previsto per questo studio dalla 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

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