Investigación de la Evolución de plasma precoz inducida por pulsos láser ultracortos

Engineering
 

Summary

Un método experimental para examinar la evolución de plasma precoz inducida por pulsos láser ultracortos se describe. Usando este método, las imágenes de alta calidad de plasma a principios se obtienen con altas resoluciones espaciales y temporales. Una novela modelo de integración atomista se utiliza para simular y explicar los mecanismos de plasma temprano.

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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

A principios de plasma se genera debido a la irradiación láser de alta intensidad de destino y la ionización material diana posterior. Su dinámica juega un papel importante en la interacción láser-materia, especialmente en el entorno de aire 1-11.

La evolución temprana de plasma se ha recogido en shadowgraphy bomba-sonda de 1-3 y 1,4-7 interferometría. Sin embargo, los rangos láser estudiados marcos de tiempo y se aplican los parámetros son limitados. Por ejemplo, los exámenes directos de localizaciones del frente de plasma y las densidades de electrones número dentro de un tiempo de retardo de 100 picosegundos (ps) con respecto al pico del láser de impulsos son todavía muy pocos, especialmente para el pulso ultracorto de una duración de alrededor de 100 femtosegundos (FS) y una baja densidad de potencia alrededor de 10 14 W / cm 2. A principios de plasma generada en estas condiciones sólo se ha capturado recientemente con altas resoluciones espaciales y temporales 12. La estrategia de instalación detallada yprocedimientos de esta medición de alta precisión se ilustra en este documento. El fundamento de la medición es óptico bomba-sonda shadowgraphy: un láser de impulsos ultracortos se divide a un pulso de bomba y un pulso de la sonda, mientras que el tiempo de retardo entre ellos puede ser ajustado cambiando sus longitudes trayectoria del haz. El pulso de bombeo ablaciona el objetivo y genera el plasma temprana, y el impulso de la sonda se propaga a través de la región de plasma y detecta la falta de uniformidad de la densidad de número de electrones. Además, las animaciones se generan utilizando los resultados calculados a partir del modelo de simulación de ref. 12 para ilustrar la formación de plasma y la evolución con una resolución muy alta (0,04 ~ 1 ps).

Tanto el método experimental y el método de simulación se puede aplicar a una amplia gama de marcos de tiempo y los parámetros del láser. Estos métodos se pueden utilizar para examinar el plasma generado temprana no sólo a partir de metales, pero también de semiconductores y aislantes.

Protocol

1. Configuración del sistema óptico (Fig. 1)

  1. Establecer una placa de media onda y un polarizador tras la salida del láser para ajustar la energía del impulso láser.
  2. Establecer un divisor de haz después de que el polarizador para dividir el pulso del láser a dos impulsos: pulso de la bomba y el pulso de la sonda.
  3. Utilice cuatro espejos que reflejan y una etapa de traslación manual para construir un dispositivo de retardo óptico para el pulso de la bomba.
  4. Utilizar otros espejos que reflejan cuatro para guiar el pulso de la bomba para alcanzar la superficie del blanco verticalmente.
  5. Establecer un generador de segunda armónica (SHG) para transformar la longitud de onda del láser de impulsos de 800 nm a 400 nm.
  6. Utilizar un separador armónica para transmitir el pulso 800-nm y reflejar el pulso 400-nm.
  7. Establecer un reductor de haz y un par de lentes focally para ajustar el tamaño y la convergencia del impulso de la sonda.
  8. Establecer otro dispositivo de retardo óptico, como se mencionó en el paso 1,3, para el pulso de la sonda.
  9. Usar un anillo de iris para ajustar el área de lasonda de pulso y asegurarse de que el pulso de la sonda pasará la superficie del objetivo en horizontal y se cruzan con el pulso de la bomba.
  10. Establecer dos lentes del objetivo y varios filtros para generar la imagen de la región de plasma para ser recibido por la intensificación de dispositivo de carga acoplada (ICCD) de la cámara.
  11. Conecte el ordenador, el láser, la cámara ICCD y su controlador usando cables BNC o cables USB.
  12. Ajuste el tiempo de retardo del controlador de la cámara hasta que la cámara captura una imagen del pulso de la sonda. Así, el pulso de la sonda y la cámara están sincronizados.

2. La bomba-sonda de sincronización

  1. Colocar un divisor de haz en la intersección de la bomba de pulso y el pulso de la sonda, y la creación de dos fotodiodos para recibir estos dos impulsos. Estos dos fotodiodos debe tener una misma distancia desde el divisor de haz.
  2. Utilice un osciloscopio para recibir las señales de estos dos fotodiodos, y mover la etapa de retardo en el camino de la bomba hasta que el rayo de luz pulso Proarchivos de la bomba de pulso y el pulso de la sonda se superponen unos con otros en la pantalla del osciloscopio. Una precisión de 20 ps se consigue debido a la resolución temporal del osciloscopio.
  3. Quitar el divisor de haz y los dos fotodiodos como se ha mencionado en el Paso 2,1.
  4. Ajuste de la etapa de retardo en el camino de la bomba hasta que el rayo de luz pulso región de ruptura del aire podía observar en la pantalla el documento ICCD. El momento en que la formación de desglose de aire podría ser detectada en lugar de un fondo uniforme se determina como cero retardo de tiempo.

3. Y preparación de muestras Etapa

  1. Establecer un laboratorio-jack y dos etapas lineales manuales con el fin de mover la muestra con tres grados de libertad.
  2. Utilice un indicador de cuadrante y cuñas de alta precisión para lograr una llanura alta de las etapas. La diferencia de altura debe estar dentro de 1 micra por una distancia de 25,4 mm.
  3. Cortar una pieza cuadrada (30 mm x 30 mm) de una hoja de Cu con un espesor de 0,8 mm utilizando una moliendamáquina.
  4. Pulir un lado estrecho (30 mm x 0,8 mm) de la pieza de Cu hasta que la rugosidad de la superficie es inferior a 0,5 micras.
  5. Fijar la pieza de cobre en el escenario manual de la parte superior de la cara estrecha pulido.
  6. Mueva el objetivo por la etapa manual de una como se ha mencionado en el Paso 3,1) mientras que el seguimiento de su posición a través de la cámara ICCD tal que cualquier inclinación puede ser ajustado mediante la inserción de cuñas de alta precisión por debajo del objetivo.
  7. Repita el paso 3.6 con la etapa de otro manual.
  8. Taladre una docena de agujeros en el objetivo, mientras que variar la posición de la focal del objetivo en un tercio la etapa de alta manual de precisión. La posición del punto focal corresponde a la posición de la lente focal donde se perfora el orificio más pequeño.

4. La ablación y medición

  1. Mover la lente focal hasta una distancia de aproximadamente 50 micras de distancia del punto focal.
  2. Mueva la etapa de retardo en la trayectoria del haz de la sonda de pulso con un intervalo de 0,3 mm para capturar la imagen cada 2 hasta 10 ps ps, ocon un intervalo de 3 mm para capturar la imagen todos los PS 20 y PS 480.
  3. Repita el paso 4.2 para varias veces para la repetibilidad y precisión.
  4. Mueva la focal del objetivo hasta una distancia de unos 50 m de distancia del punto focal, y repita el Paso 4.3.

5. Los resultados representativos

Las imágenes shadowgraph medidos se muestran en la figura. 2 y la fig. 3, para el punto focal ligeramente por encima y por debajo de la superficie del blanco, respectivamente. Las posiciones de expansión longitudinal y radial se representan en la figura. 4 y la figura. 5. Las ampliaciones longitudinales de estos dos casos en los primeros 100 ps son significativamente diferentes, sin embargo, sus ampliaciones longitudinales en los siguientes 400 ps y sus expansiones radiales son similares. Para el primer caso, el plasma temprana dentro de 100 ps tiene una estructura unidimensional de expansión que consiste en capas múltiples. Para el segundo caso, la primera plasma tiene una estructura de expansión de dos dimensiones que no cambia mucho a menos de 100 ps.

El modelo de simulación 12 se utiliza para investigar el mecanismo de la evolución de plasma temprana. El tiempo cero se define como el tiempo cuando el láser de impulsos pico alcanza la superficie del blanco. Los primeros procesos simulados evolución de plasma de acuerdo con los resultados medidos para ambos de estos dos casos, como se muestra en la fig. 6 y la figura. 7, respectivamente. La formación del plasma temprana dentro de 1 ps también está previsto para el primer caso utilizando el modelo de simulación y se muestra en la fig. 8. El plasma temprano se encuentra que tiene una región de ruptura del aire y una región de plasma de Cu. La distribución de aire por primera vez causada por múltiples fotones de ionización y luego seguido por ionización avalancha. Para el segundo caso, sin embargo, el punto focal está por debajo de la superficie del blanco y no hay región de aire desglose separada se forma. En su lugar, se produce la ionización del aire cerca de la pla CuSMA frontal y es causada por el impacto debido a la ionización de los electrones libres expulsados ​​de la meta de Cu.

Figura 1
Figura 1. Esquemática de la medición shadowgraph bomba-sonda.

Figura 2
Figura 2. Cúbicos de plasma de expansión en los tiempos de retardo sucesivas con el punto focal ligeramente por encima de la superficie. Láser de longitud de onda: 800 nm, la duración del impulso: 100 fs; densidad de potencia: 4,2 × 10 14 W / cm 2; objetivo: Cu.

Figura 3
Figura 3. Cu plasma expansión en los tiempos de retardo sucesivas con el punto focal ligeramente por debajo de la superficie. Láser de longitud de onda: 800 nm, la duración del impulso: 100 fs; densidad de potencia: 4,2 × 10 14 W / cm 2; objetivo: Cu.

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Figura 4. Plasma longitudinal y posiciones radiales de expansión en los tiempos de retardo sucesivas con el punto focal ligeramente por encima de la superficie. Láser de longitud de onda: 800 nm, la duración del impulso: 100 fs; densidad de potencia: 4,2 × 10 14 W / cm 2; objetivo: Cu.

Figura 5
Figura 5. Plasma longitudinal y posiciones radiales de expansión en los tiempos de retardo sucesivas con el punto focal ligeramente por debajo de la superficie. Láser de longitud de onda: 800 nm, la duración del impulso: 100 fs; densidad de potencia: 4,2 × 10 14 W / cm 2; objetivo: Cu.

Figura 6. Animación de expansión del plasma, medida y calculada en un tiempo de retardo de 70 CV con el punto focal ligeramente por encima de la superficie. Láser de longitud de onda: 800 nm, la duración del impulso: 100 fs; la densidad de potencia: 4,2 × 10 14 2; objetivo: Cu. Haga clic aquí para ver la animación .

Figura 7. Animación de expansión del plasma medidos y calculados dentro de un tiempo de retardo de 70 ps con el punto focal ligeramente por debajo de la superficie. Láser de longitud de onda: 800 nm, la duración del impulso: 100 fs; densidad de potencia: 4,2 × 10 14 W / cm 2; objetivo: Cu. Haga clic aquí para ver la animación .

Figura 8. Animación de la expansión del plasma, medida y calculada en un tiempo de retardo de 1 ps con el punto focal ligeramente por encima de la superficie. Láser de longitud de onda: 800 nm, la duración del impulso: 100 fs; densidad de potencia: 4,2 × 10 14 W / cm 2; objetivo:. Cu Haga clic aquí para ver la animación </ A>.

Discussion

Los métodos de medición y simulación presentados en este trabajo permiten exámenes más precisos de la dinámica del plasma temprana y una mejor comprensión de los mecanismos de ionización para el aire y el Cu. Estructuras de alta calidad de plasma se capturan con una resolución temporal de 1 ps y una resolución espacial de 1 m. Esta medida tiene una alta capacidad de repetición también. El procedimiento crítico es alinear el haz muy bien y preparar una superficie de destino con una planitud alta, así como una baja rugosidad.

Este enfoque puede aplicarse a otros materiales diana y los distintos parámetros de láser. La única limitación del método shadowgraph bomba-sonda es un número demasiado bajo variación de la densidad de electrones.

Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgements

Los autores desean reconocer y agradecer el apoyo financiero para este estudio realizado por la National Science Foundation (Grant No: CMMI-0.653.578, 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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