Investigação da Evolução Plasma Precoce Induzida por Pulsos ultracurtos de laser

Engineering
 

Summary

Um método experimental para examinar a evolução de plasma induzida por precoce ultracurtos impulsos laser é descrito. Usando este método, imagens de alta qualidade de plasma no início são obtidas com elevada resolução temporal e espacial. Um modelo integrado romance atomística é usado para simular e explicar os mecanismos de plasma inicial.

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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

Plasmáticos iniciais é gerada devido à irradiação de alta intensidade do laser de alvo e da ionização de material subsequente alvo. Sua dinâmica desempenha um papel significativo na laser de material de interacção, especialmente no ambiente de ar 1-11.

Evolução do plasma precoce tem sido capturado através de bomba de sonda-shadowgraphy 1-3 e interferometria 1,4-7. No entanto, as gamas de parâmetros estudados quadros de tempo e aplicado a laser são limitadas. Por exemplo, os exames directos de locais da frente de plasma e densidades número de electrões dentro de um tempo de atraso de 100 picossegundo (MA) com respeito ao pulso de laser de pico são ainda muito poucos, especialmente para o pulso ultracurtos com uma duração de cerca de 100 femtosegundo (FS) e uma densidade de potência baixo em torno de 10 14 W / cm 2. No início plasma gerado nestas condições só foi capturado recentemente, com alta resolução temporal e espacial de 12. A estratégia de configuração detalhada eprocedimentos do presente medição de alta precisão será ilustrado neste documento. A razão de ser da medição é shadowgraphy bomba sonda óptica: uma ultracurtos de laser de impulsos é dividido a um pulso de bomba e um pulso sonda, enquanto o tempo de atraso entre eles pode ser ajustado mudando os seus comprimentos caminho do feixe. O pulso bomba ablates o alvo e gera o plasma inicial, sendo o pulso sonda propaga através da região de plasma e detecta a não uniformidade da densidade número de electrões. Além disso, as animações são gerados utilizando os resultados calculados a partir do modelo de simulação de Ref. 12 para ilustrar a formação de plasma e evolução com uma resolução muito elevada (0,04 ~ 1 ps).

Tanto o método experimental e do método de simulação pode ser aplicada a uma vasta gama de estruturas de tempo e os parâmetros do laser. Estes métodos podem ser usados ​​para examinar o plasma precoce gerado não só a partir de metais, mas também a partir de semicondutores e isoladores.

Protocol

1. Configuração do sistema óptico (Fig. 1)

  1. Configurar uma placa de meia onda e um polarizador após a saída do laser para ajustar a energia de pulso de laser.
  2. Configurar um divisor de feixe após o polarizador para dividir o pulso de laser de dois pulsos: pulso bomba e pulso sonda.
  3. Use quatro espelhos que refletem e um palco manual de translação para a construção de um dispositivo de retardo óptico para o pulso da bomba.
  4. Use outros espelhos quatro reflectoras para guiar o pulso de bomba para alcançar a superfície do alvo verticalmente.
  5. Configurar um gerador de segunda harmónica (SHG) para transformar o laser de comprimento de onda de impulso a partir de 800 nm a 400 nm.
  6. Usar um separador harmónica para transmitir o impulso de 800-nm e reflectem o pulso 400 nm.
  7. Configurar um redutor de feixe e um par de lentes focalmente para ajustar o tamanho ea convergência do pulso sonda.
  8. Configurar outro dispositivo atraso óptico, como mencionado no passo 1.3, para o pulso de sonda.
  9. Use um anel Iris para ajustar a área dosonda de pulso e certifique-se o pulso de sonda passar a superfície do alvo na horizontal e se cruzam com a pulsação da bomba.
  10. Configurar duas lentes objectivas e vários filtros para gerar a imagem da região de plasma a ser recebido pelo intensificada dispositivo de carga acoplada (ICCD) da câmara.
  11. Ligue o computador, o laser, a câmera ICCD e seu controlador usando cabos BNC ou cabos USB.
  12. Ajustar o tempo de atraso do controlador da câmara até a câmara capta uma imagem do pulso sonda. Assim, o pulso de sonda ea câmera estão sincronizados.

2. Bomba sonda-Sincronização

  1. Coloque um divisor de feixe na intersecção do pulso da bomba e do pulso da sonda, e criar dois fotodíodos para receber estes dois pulsos. Estes dois fotodíodos deve ter uma mesma distância a partir do divisor de feixe.
  2. Use um osciloscópio para receber os sinais destes dois fotodíodos, e mover-se a fase de atraso no caminho do feixe bomba de pulsação até o próarquivos do pulso da bomba e do pulso sonda sobrepõem uns aos outros na tela osciloscópio. Uma precisão de 20 ps é conseguida devido à resolução temporal do osciloscópio.
  3. Remover o divisor de feixe e os dois fotodíodos conforme mencionado na etapa 2,1.
  4. Ajuste o estágio de atraso no caminho feixe de bombeio de pulso até a região de ruptura ar só poderia ser observado na tela ICCD. O momento em que a formação de repartição de ar pode ser detectado em vez de um fundo uniforme é determinada como zero tempo de atraso.

3. Amostra e Preparação Estágio

  1. Montou um laboratório-jack e dois manuais fases lineares, a fim de mover a amostra com três graus de liberdade.
  2. Utilizar um indicador de marcação e calços de alta precisão para alcançar uma elevada planeza dos estágios. A diferença de altura deve estar dentro de 1 mM por uma distância de 25,4 mm.
  3. Cortar uma peça quadrada (30 mm x 30 mm) a partir de uma folha de Cu com uma espessura de 0,8 mm utilizando um moagemmáquina.
  4. Polir um lado estreito (30 mm x 0,8 mm) do pedaço de Cu até que a rugosidade da superfície é inferior a 0,5 micron.
  5. Fixe o pedaço Cu no palco manual do topo com o rosto polido estreita para cima.
  6. Mover o alvo por uma fase manual como mencionado na Etapa 3.1), enquanto controlar a sua posição através da câmara ICCD tal que qualquer inclinação pode ser ajustada através da inserção de calços de alta precisão abaixo do alvo.
  7. Repita o passo 3,6 com a fase de outro manual.
  8. Perfurar uma dúzia de furos no alvo enquanto variar a posição da lente focal por um estágio manual de alta precisão terceiro. A localização do ponto focal corresponde à posição da lente de contacto onde o menor orifício é perfurado.

4. Ablação e Mensuração

  1. Mover a lente focal até uma distância de cerca de 50 um de distância do ponto focal.
  2. Mova o estágio atraso no caminho do feixe de pulso sonda com um intervalo de 0,3 mm para capturar a imagem todos os ps 2 até 10 ps, ​​oucom um intervalo de 3 mm para captar a imagem cada ps 20 até 480 ps.
  3. Repita o passo 4,2 por várias vezes para repetibilidade e precisão.
  4. Mova a lente focal para baixo a uma distância de cerca de 50 um de distância do ponto focal, e repita o passo 4.3.

5. Os resultados representativos

As imagens radiografia medidos são mostrados na fig. 2 e fig. 3, para o ponto focal ligeiramente acima e abaixo da superfície do alvo, respectivamente. As posições de expansão longitudinal e radial são representados na figura. 4 e Fig.. 5. As expansões longitudinais destes dois casos no primeiro 100 ps são significativamente diferentes, no entanto, as suas expansões longitudinais na seguinte 400 ps e suas expansões radiais são semelhantes. Para o primeiro caso, o plasma dentro precoce 100 Ps tem uma estrutura de expansão unidimensional constituídas por várias camadas. Para o segundo caso, o pl precoceAsma tem uma estrutura de expansão bidimensional que não muda muito dentro de 100 ps.

O modelo de simulação 12 é utilizado para investigar o mecanismo da evolução de plasma inicial. Tempo zero é definido como o momento em que o pulso de laser pico atinge a superfície do alvo. Os simulados processos evolutivos iniciais de plasma concorda bem com os resultados medidos para ambos estes dois casos, como mostrado na fig. 6 e Fig. 7, respectivamente. A formação do plasma precoce dentro de 1 ps também é previsto para o primeiro caso utilizando o modelo de simulação e mostrado na fig. 8. O plasma precoce é encontrado para ter uma região de ruptura de ar e uma região de plasma de Cu. A repartição ar é causada por multi-fotão de ionização e, em seguida, seguido por ionização avalanche. Para o segundo caso, no entanto, o ponto focal está abaixo da superfície do alvo e não região de ruptura de ar separado é formado. Em vez disso, a ionização do ar ocorre perto do pla Cusma frente e é causada pelo impacto de ionização devido aos elétrons livres ejetados do alvo Cu.

A Figura 1
Figura 1. Esquemática da medição radiografia bomba sonda.

A Figura 2
Figura 2. Cu expansão plasma em tempos de atraso sucessivas com o ponto focal ligeiramente acima da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 14 W / cm 2; alvo: Cu.

A Figura 3
Figura 3. Cu expansão plasma em tempos de atraso sucessivas com o ponto focal ligeiramente abaixo da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 14 W / cm 2; alvo: Cu.

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Figura 4. Plasma longitudinal e as posições de expansão radial em tempos de atraso sucessivas com o ponto focal ligeiramente acima da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 14 W / cm 2; alvo: Cu.

A Figura 5
Figura 5. Plasma longitudinal e as posições expansão radial em tempos de atraso sucessivas com o ponto focal ligeiramente abaixo da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 14 W / cm 2; alvo: Cu.

Figura 6. Animação de expansão do plasma, medido e calculado dentro de um tempo de atraso de 70 ps com o ponto focal ligeiramente acima da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 14 2; alvo: Cu. Clique aqui para ver a animação .

Figura 7. Animação de expansão do plasma, medido e calculado dentro de um tempo de atraso de 70 ps com o ponto focal ligeiramente abaixo da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 14 W / cm 2; alvo: Cu. Clique aqui para ver a animação .

Figura 8. Animação de expansão do plasma, medido e calculado dentro de um tempo de atraso de 1 ps com o ponto focal ligeiramente acima da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 14 W / cm 2; alvo:. Cu Clique aqui para ver a animação </ A>.

Discussion

Os métodos de medição e de simulação apresentados neste trabalho permitem exames mais precisos da dinâmica do plasma precoce e um melhor entendimento dos mecanismos de ionização de ar e Cu. Estruturas de plasma de alta qualidade são capturados com uma resolução temporal de 1 ps e uma resolução espacial de 1 m. Esta medida tem uma alta repetibilidade também. O procedimento é crítica para alinhar o feixe muito bem e preparar uma superfície alvo com um achatamento elevada, bem como uma rugosidade baixa.

Esta abordagem pode ser aplicada a outros materiais alvo e os parâmetros do laser diferentes. A única limitação do método radiografia bomba sonda é uma muito baixa variação de densidade de electrões número.

Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgements

Os autores gostariam de agradecer o apoio financeiro previsto para este estudo pela National Science Foundation (Grant n º: 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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