Undersøgelse af tidlig Plasma Evolution induceret af ultrakort laserpulser

Engineering
 

Summary

En eksperimentel metode til at undersøge den tidlige plasmaet udviklingen induceret ved ultrakort laserpulser er beskrevet. Ved hjælp af denne metode, er af høj kvalitet billeder af tidlig plasma opnås med høj tidslig og rumlig resolutioner. Et nyt integreret atomistisk model bruges til at simulere og forklare mekanismerne i begyndelsen af ​​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 dannes på grund af høj intensitet laser bestråling af mål og den efterfølgende målmaterialet ionisering. Dens dynamik spiller en væsentlig rolle i laser-materiale interaktion, især i den omgivende luft 1-11.

Tidlig plasma evolution er blevet indfanget ved hjælp af pumpe-probe shadowgraphy 1-3 og interferometri 1,4-7. Imidlertid er de undersøgte tidsrammer og anvendes laser parameterområder begrænset. For eksempel er direkte undersøgelse af plasma forreste steder og elektron antal densiteter i en forsinkelsestid på 100 picosekund (ps) med hensyn til laserimpulsen spids stadig meget få, især for ultrakort puls af en varighed omkring 100 femtosekund (FS) og en lav effekttæthed omkring 10 14 W / cm 2. Tidlig plasma genereres under disse betingelser er kun blevet fanget for nylig med høj tidslig og rumlige resolutioner 12. Den detaljerede opsætning strategi ogprocedurer denne høje præcision måling vil blive illustreret i dette dokument. Begrundelsen for målingen er optisk pumpe-probe shadowgraphy: en ultrakort laser puls er fordelt til en pumpe puls og en sonde puls, mens forsinkelse mellem dem kan justeres ved at ændre deres beam banelængder. Pumpen puls ablates målet og frembringer de tidlige plasma, og proben impuls udbreder sig gennem plasmaområdet og detekterer ikke-ensartethed af elektron antal densitet. Desuden er animationer genereres under anvendelse af de beregnede resultater fra simuleringsmodellen af ref. 12 for at illustrere plasma dannelsen og udviklingen med en meget høj opløsning (0,04 ~ 1 ps).

Både den eksperimentelle fremgangsmåde og simulering metoden kan anvendes til en bred vifte af tidsrammer og laser parametre. Disse fremgangsmåder kan anvendes til at undersøge den tidlige plasmaet genereres ikke blot fra metaller, men også fra halvledere og isolatorer.

Protocol

1. Optisk System Setup (fig. 1)

  1. Etablere et halvbølge plade og en polarisator efter laserudgangssignalet at justere laserpuls energi.
  2. Opret en stråledeler efter polarisatoren at opdele laser puls til to impulser: pumpe puls og sonden puls.
  3. Brug fire reflekterende spejle og en manuel translationel fase at konstruere en optisk forsinkelse enhed til pumpen puls.
  4. Brug yderligere fire reflekterende spejle for at styre pumpen puls til at nå målet overflade lodret.
  5. Etablere en anden harmoniske generator (SHG) at omdanne laserimpulsen bølgelængde fra 800 nm til 400 nm.
  6. Brug en harmonisk separator at sende den 800-nm puls og afspejler den 400-nm puls.
  7. Opret en stråle reduktionsgear og et par fokalt linser til at justere størrelse og konvergensen af ​​sonden puls.
  8. Nedsat anden optisk forsinkelsesanordning, som nævnt i trin 1.3, til proben puls.
  9. Anvender en irisringen at justere det område afsonde puls og sørg for sonden pulsen passerer målet overfladen vandret og skærer med pumpen puls.
  10. Konfigurer to objektivlinser og flere filtre til at generere billedet af plasma region, der skal modtages af den intensiverede charge-coupled device (ICCD) kamera.
  11. Tilslut computeren, laseren, ICCD kamera og dens controller med BNC kabler eller USB-kabler.
  12. Justere forsinkelsestiden af ​​kameraet styreenheden indtil kameraet indfanger et billede af sonden puls. Således er sonden puls og kameraet synkroniseret.

2. Pumpe-probe Synkronisering

  1. Placer en stråledeler i skæringspunktet af pumpen puls og sonden puls, og oprette to fotodioder at modtage disse to impulser. Disse to fotodioder bør have den samme afstand fra stråledeleren.
  2. Brug et oscilloskop til at modtage signalerne fra disse to fotodioder, og flytte forsinkelsen scenen på pumpen pulsen strålegangen indtil profiler af pumpen puls og sonden puls overlapper hinanden på oscilloskopet skærmen. En nøjagtighed på 20 ps opnås på grund af den tidsmæssige opløsning af oscilloskop.
  3. Fjerne stråledeleren og de to fotodioder, som nævnt i trin 2.1.
  4. Juster forsinkelsen scenen på pumpen pulsen strålegangen indtil luften fordelingen området lige kunne observeres på ICCD skærmen. Tidspunktet for dannelsen af ​​luft nedbrydning kunne påvises i stedet for en ensartet baggrund bestemmes som tidsforsinkelse nul.

3. Prøve og sceneindretninger

  1. Opret en lab-stik og to manuelle lineære trin for at flytte prøven med tre grader af frihed.
  2. Brug et måleur og høj præcision shims at opnå en høj planhed af disse faser. Højdeforskellen bør være inden for 1 um pr en afstand på 25,4 mm.
  3. Skær en kvadratisk stykke (30 mm x 30 mm) af en Cu ark med en tykkelse på 0,8 mm under anvendelse af en fræsningmaskine.
  4. Polere en smalside (30 mm x 0,8 mm) af Cu stykke indtil overfladeruheden er under 0,5 um.
  5. Fastgør Cu brik på toppen manuelle scenen med polerede smalt ansigt op.
  6. Flyt målet ved en manuel etape som nævnt i Trin 3.1), mens overvåge sin position via ICCD kameraet, således at enhver hældning kan justeres ved at indsætte højpræcisions shims under målet.
  7. Gentag trin 3,6 med den anden manuel scenen.
  8. Bor en halv snes af huller på målet, mens variere placeringen af ​​brændvidde med en tredjedel høj præcision manuel scenen. Omdrejningspunktet placering svarer til placeringen af ​​brændvidde, hvor den mindste hul er boret.

4. Ablation og måleudstyr

  1. Flyt brændvidde op til en afstand af cirka 50 um væk fra omdrejningspunktet.
  2. Flyt forsinkelsen scenen på sonden pulsen strålegangen med et interval på 0,3 mm for at tage billedet hver 2 ps indtil 10 ps, ​​ellermed et interval på 3 mm for at tage billedet hver 20 ps indtil 480 ps.
  3. Gentag trin 4,2 flere gange for repeterbarhed og nøjagtighed.
  4. Flyt brændvidde ned til en afstand af cirka 50 um væk fra omdrejningspunktet, og gentag trin 4,3.

5. Repræsentative resultater

De målte shadowgraph billeder er vist i fig. 2 og fig. 3, for omdrejningspunktet lidt over og under måloverfladen, hhv. De langsgående og radial ekspansion positioner er afbildet i fig. 4 og fig. 5. De langsgående udvidelser af disse to tilfælde i de første 100 ps er væsentligt anderledes, men deres langsgående udvidelser i følgende 400 ps og deres radiale udvidelser er ens. For det første tilfælde har de tidlige plasma 100 ps en endimensional ekspansion struktur bestående af flere lag. For det andet tilfælde, den tidlige plAsma har en to-dimensionel ekspansion struktur, som ikke ændrer sig meget inden for 100 ps.

Simuleringsmodellen 12 anvendes til at undersøge mekanismen for tidlig plasma evolution. Tidspunkt nul er defineret som det tidspunkt, hvor laserpuls spids når måloverfladen. De simulerede tidlige plasma evolution processer stemmer godt overens med de målte resultater for begge disse to tilfælde, som vist i fig. 6 og fig. 7 hhv. Dannelsen af den tidlige plasma 1 ps er også forudset for det første tilfælde ved hjælp af simuleringsmodellen og vist i fig. 8. Den tidlige plasma findes at have en luft-nedbrydning region og en Cu plasmaområdet. Luften Fordelingen først forårsaget af multi-foton ionisering og derefter fulgt af lavine ionisering. For det andet tilfælde, men omdrejningspunktet er under målet overfladen og ingen særskilt luft opdeling regionen dannes. I stedet luft ionisering forekommer nær Cu plaSMA forreste og skyldes virkningen ionisering grund af frie elektroner udstødes fra Cu målet.

Figur 1
Figur 1. Skematisk af pumpe-proben shadowgraph måling.

Figur 2
Figur 2. Cu plasma ekspansion på en række forsinkelser gange med omdrejningspunkt lidt over overfladen. Laser bølgelængde: 800 nm; impulsvarighed: 100 fs; effekttæthed: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.

Figur 3
Figur 3. Cu plasma ekspansion på en række forsinkelser gange med omdrejningspunkt lidt under overfladen. Laser bølgelængde: 800 nm; impulsvarighed: 100 fs; effekttæthed: 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 radial udvidelse positioner på hinanden følgende forsinkelsestider med kontaktpunktet smule over overfladen. Laser bølgelængde: 800 nm; impulsvarighed: 100 fs; effekttæthed: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.

Figur 5
Figur 5. Plasma langsgående og radial udvidelse positioner på hinanden forsinkelsestider med kontaktpunktet lidt under overfladen. Laser bølgelængde: 800 nm; impulsvarighed: 100 fs; effekttæthed: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu.

Figur 6. Animation af målt og beregnet plasma ekspansion inden for en forsinkelse på 70 ps med kontaktpunktet lidt over overfladen. Laser bølgelængde: 800 nm; impulsvarighed: 100 fs; effekttæthed: 4,2 × 10 14 2, mål: Cu. Klik her for at se animationen .

Figur 7. Animation af målt og beregnet plasma ekspansion inden for en forsinkelse på 70 ps med kontaktpunktet lidt under overfladen. Laser bølgelængde: 800 nm; impulsvarighed: 100 fs; effekttæthed: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål: Cu. Klik her for at se animationen .

Figur 8. Animation af målt og beregnet plasma ekspansion inden for en forsinkelse på 1 ps med kontaktpunktet lidt over overfladen. Laser bølgelængde: 800 nm; impulsvarighed: 100 fs; effekttæthed: 4,2 × 10 14 W / cm 2, mål:. Cu Klik her for at se animation </ A>.

Discussion

De målemetoder og simulering metoder, der præsenteres i dette papir give mere præcise undersøgelser af de tidlige plasma dynamik og en bedre forståelse af de ionisering mekanismer for både luft og Cu. Høj kvalitet plasma strukturer er taget med en tidsmæssig opløsning på 1 ps og en rumlig opløsning på 1 um. Dette mål har en høj reproducerbarhed også. Den kritiske fremgangsmåde er at bringe strålen godt og forberede en mål-overflade med en høj planhed såvel som en lav ruhed.

Denne fremgangsmåde kan anvendes på andre målmaterialer og forskellige laser parametre. Den eneste begrænsning af pumpe-proben shadowgraph metode er for lav elektron antal densitetsvariation.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker at takker den økonomiske støtte til denne undersøgelse af National Science Foundation (Grant nr.: CMMI-0.653.578, CBET-0.853.890).

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