Untersuchung der frühen Evolution von Plasma ultrakurzer Laserpulse

Engineering
 

Summary

Eine experimentelle Methode, um das Plasma frühen Evolution durch ultrakurze Laserpulse induzierte untersuchen beschrieben wird. Mit diesem Verfahren werden qualitativ hochwertige Bilder von frühen Plasma mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung erhalten. Eine neuartige integrierte atomares Modell wird verwendet, um zu simulieren und zu erklären, die Mechanismen der frühen Plasma.

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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

Frühe Plasma aufgrund hoher Intensität Laserbestrahlung des Ziels und der anschließenden Zielmaterial Ionisation erzeugt. Seine Dynamik spielt eine bedeutende Rolle in der Laser-Material-Interaktion, vor allem in der Luft Umwelt 11.01.

Frühe Plasma-Entwicklung wurde durch Pump-Probe-Schattenphotographie 1-3 und Interferometrie 1,4-7 gefangen genommen worden. Allerdings sind die untersuchten Zeitrahmen und angewandte Laser Parameterbereiche begrenzt. Zum Beispiel sind direkten Untersuchungen Plasmafront Zielen und Elektronenzahl Dichten innerhalb einer Verzögerungszeit von 100 Pikosekunden (ps) in Bezug auf den Laserpuls Gipfel noch sehr wenige, insbesondere für die Erzeugung ultrakurzer Pulse mit einer Dauer etwa 100 Femtosekunden (fs) und eine niedrige Leistungsdichte etwa 10 14 W / cm 2. Frühe Plasma unter diesen Bedingungen erzeugt wurde erst kürzlich mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung 12 gefangen genommen. Der detaillierte Aufbau-Strategie undVerfahren dieser hochgenauen Messung wird in diesem Dokument dargestellt werden. Die Grundlagen der Messung optischen Pump-Probe Schattenphotographie: ein ultrakurzer Laserpuls mit einer Pumpe und einem Impuls Sondenimpuls aufgeteilt, wobei die Verzögerungszeit zwischen ihnen durch Veränderung ihrer Strahlengang Längen eingestellt werden kann. Der Pumppuls abträgt das Ziel und erzeugt den ersten Plasma, und die Sonde Puls breitet sich durch den Plasmabereich und erfasst die Ungleichmäßigkeit der Elektronenzahl Dichte. Darüber hinaus sind Animationen unter Verwendung der berechneten Ergebnisse aus dem Simulationsmodell der Referenz. 12, um die Plasma-Bildung und Entwicklung mit einer sehr hohen Auflösung (0,04 bis 1 ps) zeigen.

Sowohl die experimentellen Verfahren und die Simulation Verfahren kann auf eine Vielzahl von Zeitrahmen und Laser Parameter angewendet werden. Diese Verfahren können verwendet werden, um die frühen Plasma nicht nur aus Metallen, sondern auch von Halbleitern und Isolatoren generiert wurden werden.

Protocol

1. Optisches System-Setup (Abb. 1)

  1. Einrichten einer Halbwellenplatte und einen Polarisator nach der Laserleistung, die Laserimpulsenergie einzustellen.
  2. Richten Sie einen Strahlteiler nach dem Polarisator um den Laserpuls zu zwei Impulsen aufgeteilt: Pump-Puls-und Puls-Sonde.
  3. Mit den vier reflektierenden Spiegeln und eine manuelle translatorische Stufe, um eine optische Verzögerungseinrichtung für den Pumpimpuls konstruieren.
  4. Verwenden weitere vier reflektierenden Spiegel, um den Pumpimpuls führen, um die Zieloberfläche vertikal zu erreichen.
  5. Einrichten einer zweiten harmonischen Generator (SHG), um den Laserpuls Wellenlänge von 800 nm bis 400 nm umzuwandeln.
  6. Verwenden Sie eine harmonische Trennzeichen, um die 800-nm-Puls übertragen und spiegeln die 400-nm-Puls.
  7. Richten Sie eine Strahlreduzierer und ein Paar fokal Linsen, um die Größe und die Konvergenz der Sonde Puls einstellen.
  8. Einrichten eines weiteren optischen Verzögerungseinrichtung, wie in Schritt 1.3 erwähnt, für den Abtastimpuls.
  9. Verwenden Sie ein Iris-Ring, um den Bereich der AnpassungSonde Puls und sicherstellen, dass die Sonde Puls über das Ziel Fläche horizontal und schneiden mit der Pump-Puls.
  10. Einrichten zwei Objektivlinsen und mehrere Filter, um das Bild des Plasmas Region durch das verstärkte charge-coupled device (ICCD)-Kamera aufgenommen werden zu erzeugen.
  11. Schließen Sie den Computer, den Laser, die ICCD Kamera und ihr Controller mit BNC-Kabel oder USB-Kabel.
  12. Stellen Sie die Verzögerungszeit des Kamera-Controller, bis die Kamera ein Bild der Sonde Puls erfasst. Somit werden die Sondenimpuls und der Kamera synchronisiert.

2. Pump-Probe-Synchronisation

  1. Legen Sie einen Strahlteiler an der Kreuzung von der Pump-Puls und der Sonde Puls, und die Gründung von zwei Photodioden, diese beiden Impulse erhalten. Diese beiden Photodioden sollte den gleichen Abstand vom Strahlteiler aufweisen.
  2. Sie mit einem Oszilloskop die Signale der beiden Photodioden erhalten, und bewegen Sie die Verzögerung der Bühne auf dem Pump-Puls Strahlengang bis zum ProfiDateien von der Pump-Puls und der Sonde Puls einander überlappen auf dem Oszilloskop-Bildschirm. Eine Genauigkeit von 20 ps ist aufgrund der zeitlichen Auflösung des Oszilloskops erreicht.
  3. Entfernen Sie den Strahlteiler und die beiden Photodioden, wie in Schritt 2.1.
  4. Stellen Sie die Verzögerung der Bühne auf dem Pump-Puls Strahlengang, bis die Luft-Durchschlag-Region konnte nur auf dem Bildschirm ICCD beobachtet werden. Der Zeitpunkt der Bildung von Luft-Durchschlag könnte stattdessen eines einheitlichen Hintergrund erfasst werden soll, als Verzögerungszeit Null bestimmt.

3. Proben-und einstufigen Herstellung

  1. Richten Sie eine Laborhebevorrichtung und zwei manuelle Lineartische, um die Probe mit drei Freiheitsgraden bewegen.
  2. Verwenden Sie eine Messuhr und hohe Präzision Shims, um eine hohe Ebenheit der Stufen zu erreichen. Der Höhenunterschied sollte in 1 um pro einem Abstand von 25,4 mm betragen.
  3. Schneiden ein quadratisches Stück (30 mm × 30 mm) aus einer Cu-Folie mit einer Dicke von 0,8 mm mittels einer FräseMaschine.
  4. Politur ist eine Schmalseite (30 mm × 0,8 mm) der Cu-Stück, bis die Oberflächenrauheit unter 0,5 mu m.
  5. Befestigen Sie die Cu Stück auf der obersten Stufe manuelle mit der polierten schmales Gesicht auf.
  6. Bewegen Sie das Ziel von einem manuellen Bühne wie in Schritt 3.1) erwähnt, während überwachen seine Position über das ICCD-Kamera, so dass jegliche Neigung durch Einfügen von hoher Präzision Unterlegscheiben unter dem Ziel angepasst werden kann.
  7. Wiederholen Sie Schritt 3.6 mit dem anderen manuellen Bühne.
  8. Bohren Sie ein Dutzend Löcher auf dem Ziel, während die Position der Brennweite variieren von einer dritten Stufe manuelle hohe Genauigkeit. Der Brennpunkt Ort entspricht der Position der fokalen Linse in denen die kleinste Loch gebohrt wird.

4. Ablation and Measurement

  1. Bewegen Sie die Brennweite bis zu einer Entfernung von etwa 50 um weg vom Brennpunkt.
  2. Bewegen Sie den Verzögerungsstufe an der Sonde Puls Strahlengang mit einem Abstand von 0,3 mm, um das Bild alle 2 ps bis 10 ps zu erfassen, odermit einem Abstand von 3 mm, um das Bild alle 20 ps bis 480 ps zu erfassen.
  3. Wiederholen Sie Schritt für 4,2 mehrmals für Wiederholbarkeit und Genauigkeit.
  4. Bewegen Sie die Brennweite bis auf eine Entfernung von etwa 50 um weg vom Brennpunkt, und wiederholen Sie Schritt 4.3.

5. Repräsentative Ergebnisse

Die gemessenen shadowgraph Bilder sind in Abb. 2 und Abb. 3, den Brennpunkt leicht oberhalb und unterhalb der Zielfläche bzw.. Die longitudinale und radiale Ausdehnung Positionen sind in Abb.. 4 und Abb. 5. Die Längenausdehnungen dieser beiden Fälle in der ersten 100 ps sind signifikant verschieden, jedoch sind ihre Längenausdehnungen im folgenden 400 ps und ihre radiale Erweiterungen ähnlich. Im ersten Fall weist der frühen Plasma innerhalb von 100 ps eine eindimensionale Expansion, die aus mehreren Schichten. Für den zweiten Fall, der frühe plAsma hat eine zweidimensionale Struktur, die Erweiterung nicht verändert wird sehr viel innerhalb von 100 ps.

Das Simulationsmodell 12 wird verwendet, um den Mechanismus der frühen Plasma-Entwicklung untersucht. Zeit Null wird als die Zeit, wenn der Laser Impulsspitze der Zielfläche erreicht definiert. Die simulierten frühen Evolution Plasma-Prozesse stimmen gut mit den Messergebnissen für beide von diesen beiden Fällen, wie in Abb. 6 und Bild. 7 entspricht. Die Bildung des ersten Plasmas innerhalb 1 ps ist auch für den ersten Fall anhand des Simulationsmodells vorhergesagten und gezeigt in. 8. Die frühe Plasma gefunden, dass ein Luft-Durchschlag-Bereich und einen Cu Plasmaregion haben. Die Luft wird zunächst durch Abbau Multi-Photonen-Ionisation verursacht und dann gefolgt von der Lawine Ionisation. Für den zweiten Fall ist jedoch der Schwerpunkt unterhalb der Zielfläche und keine separate Luft-Durchschlag-Bereich gebildet wird. Stattdessen tritt Luft-Ionisierung in der Nähe des Cu-PLASMA vor und wird durch Stoßionisation aufgrund der freien Elektronen von der Cu-Target herausgeschleudert wurde.

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Abbildung 1. Schematische Darstellung des Pump-Probe-Messung shadowgraph.

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Abbildung 2. Cu Plasma Expansion in aufeinanderfolgenden Verzögerungszeiten mit dem Brennpunkt leicht über die Oberfläche. Laser Wellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, Leistungsdichte: 4,2 × 10 14 W / cm 2; Ziel: Cu.

Abbildung 3
Abbildung 3. Cu Plasma Expansion in aufeinanderfolgenden Verzögerungszeiten mit dem Brennpunkt knapp unter der Oberfläche. Laser Wellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, Leistungsdichte: 4,2 × 10 14 W / cm 2; Ziel: Cu.

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4. Plasma Längs und radiale Ausdehnung Positionen in aufeinanderfolgenden Verzögerungszeiten mit dem Brennpunkt leicht über die Oberfläche. Laser Wellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, Leistungsdichte: 4,2 × 10 14 W / cm 2; Ziel: Cu.

Abbildung 5
Abbildung 5. Plasma Längs-und radiale Ausdehnung Positionen in aufeinanderfolgenden Verzögerungszeiten mit dem Brennpunkt knapp unter der Oberfläche. Laser Wellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, Leistungsdichte: 4,2 × 10 14 W / cm 2; Ziel: Cu.

Abbildung 6. Animation der gemessenen und berechneten Plasma Expansion innerhalb einer Verzögerungszeit von 70 ps mit dem Brennpunkt leicht über die Oberfläche. Laser Wellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, Leistungsdichte: 4,2 × 10 14 2; Ziel: Cu. Klicken Sie hier, um die Animation zu sehen .

Abbildung 7. Animation der gemessenen und berechneten Plasma Expansion innerhalb einer Verzögerungszeit von 70 ps mit dem Brennpunkt knapp unter der Oberfläche. Laser Wellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, Leistungsdichte: 4,2 × 10 14 W / cm 2; Ziel: Cu. Klicken Sie hier, um die Animation zu sehen .

Abbildung 8. Animation der gemessenen und berechneten Plasma Expansion innerhalb einer Verzögerungszeit von 1 ps mit dem Brennpunkt leicht über die Oberfläche. Laser Wellenlänge: 800 nm, Pulsdauer: 100 fs, Leistungsdichte: 4,2 × 10 14 W / cm 2; Ziel:. Cu Klicken Sie hier, um die Animation zu sehen </ A>.

Discussion

Die Mess-und Simulationsmethoden in diesem Papier vorgestellten ermöglichen genauere Untersuchungen der frühen Plasma-Dynamik und einem besseren Verständnis der Mechanismen für die Ionisation für Luft-und Cu. Hochwertige Plasma-Strukturen werden mit einer zeitlichen Auflösung von 1 ps und einer räumlichen Auflösung von 1 mu m gefangen genommen. Diese Messung hat eine hohe Wiederholgenauigkeit zu. Die kritische Prozedur ist es, den Strahl sehr gut ausrichten und bereiten eine Zielfläche mit einem hohen Ebenheit sowie eine geringe Rauhigkeit.

Dieser Ansatz kann auf andere Target-Materialien und verschiedene Laser-Parameter angewendet werden. Die einzige Einschränkung der Pump-Probe-Schattenbild-Methode ist eine zu geringe Anzahl Elektronen-Dichte Variation.

Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgements

Die Autoren möchten sich bedanken uns für die finanzielle Unterstützung für diese Studie von der National Science Foundation (Grant No: CMMI-0653578, CBET-0853890) zur Verfügung gestellt.

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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