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.

1. Optisches System-Setup (Abb. 1) <ol><li> Einrichten einer Halbwellenplatte und einen Polarisator nach der Laserleistung, die Laserimpulsenergie einzustellen. </li><li> Richten Sie einen Strahlteiler nach dem Polarisator um den Laserpuls zu zwei Impulsen aufgeteilt: Pump-Puls-und Puls-Sonde. </li><li> Mit den vier reflektierenden Spiegeln und eine manuelle translatorische Stufe, um eine optische Verzögerungseinrichtung für den Pumpimpuls konstruieren. </li><li> Verwenden weitere vier reflektierenden Spiegel, um den Pumpimpuls führen, um die Zieloberfläche vertikal zu erreichen. </li><li> Einrichten einer zweiten harmonischen Generator (SHG), um den Laserpuls Wellenlänge von 800 nm bis 400 nm umzuwandeln. </li><li> Verwenden Sie eine harmonische Trennzeichen, um die 800-nm-Puls übertragen und spiegeln die 400-nm-Puls. </li><li> Richten Sie eine Strahlreduzierer und ein Paar fokal Linsen, um die Größe und die Konvergenz der Sonde Puls einstellen. </li><li> Einrichten eines weiteren optischen Verzögerungseinrichtung, wie in Schritt 1.3 erwähnt, für den Abtastimpuls. </li><li> 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. </li><li> Einrichten zwei Objektivlinsen und mehrere Filter, um das Bild des Plasmas Region durch das verstärkte charge-coupled device (ICCD)-Kamera aufgenommen werden zu erzeugen. </li><li> Schließen Sie den Computer, den Laser, die ICCD Kamera und ihr Controller mit BNC-Kabel oder USB-Kabel. </li><li> Stellen Sie die Verzögerungszeit des Kamera-Controller, bis die Kamera ein Bild der Sonde Puls erfasst. Somit werden die Sondenimpuls und der Kamera synchronisiert. </li></ol> 2. Pump-Probe-Synchronisation <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Entfernen Sie den Strahlteiler und die beiden Photodioden, wie in Schritt 2.1. </li><li> 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. </li></ol> 3. Proben-und einstufigen Herstellung <ol><li> Richten Sie eine Laborhebevorrichtung und zwei manuelle Lineartische, um die Probe mit drei Freiheitsgraden bewegen. </li><li> 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. </li><li> Schneiden ein quadratisches Stück (30 mm × 30 mm) aus einer Cu-Folie mit einer Dicke von 0,8 mm mittels einer FräseMaschine. </li><li> Politur ist eine Schmalseite (30 mm × 0,8 mm) der Cu-Stück, bis die Oberflächenrauheit unter 0,5 mu m. </li><li> Befestigen Sie die Cu Stück auf der obersten Stufe manuelle mit der polierten schmales Gesicht auf. </li><li> 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. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 3.6 mit dem anderen manuellen Bühne. </li><li> 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. </li></ol> 4. Ablation and Measurement <ol><li> Bewegen Sie die Brennweite bis zu einer Entfernung von etwa 50 um weg vom Brennpunkt. </li><li> 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. </li><li> Wiederholen Sie Schritt für 4,2 mehrmals für Wiederholbarkeit und Genauigkeit. </li><li> Bewegen Sie die Brennweite bis auf eine Entfernung von etwa 50 um weg vom Brennpunkt, und wiederholen Sie Schritt 4.3. </li></ol> 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. <img alt="1" src="/files/ftp_upload/4033/4033fig1.jpg" /> Abbildung 1. Schematische Darstellung des Pump-Probe-Messung shadowgraph. <img alt="2" src="/files/ftp_upload/4033/4033fig2.jpg" /> 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. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/4033/4033fig3.jpg" /> 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. &lt;img alt = &quot;Bild 4&quot; src = &quot;/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg&quot; /&gt; 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. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/4033/4033fig5.jpg" /> 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 </sup&gt; W / cm 2; Ziel: Cu. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie6.avi" target="_blank">Klicken Sie hier, um die Animation zu sehen</a> . 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. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie7.avi" target="_blank">Klicken Sie hier, um die Animation zu sehen</a> . 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 <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie8.avi" target="_blank">Klicken Sie hier, um die Animation zu sehen &lt;</a>/ A&gt;.

<ol>
	<li>Garnov, S. V., Malyutin, A. A., Tsarkova, O. G., Konov, V. I., Dausinger, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+laser-induced+plasma+diagnostics+with+time-spatial+resolved+shadow+and+interferometric+techniques.">Ultrafast laser-induced plasma diagnostics with time-spatial resolved shadow and interferometric techniques.</a> Proc. SPIE. 4637, 31-42 (2002).</li><li>Zhang, N., Zhu, X., Yang, J., Wang, X., Wang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+shadowgraphs+of+material+ejection+in+intense+femtosecond+laser+ablation+of+aluminum.">Time-resolved shadowgraphs of material ejection in intense femtosecond laser ablation of aluminum.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 167602 (2007).</li><li>Li, J., Wang, X., Chen, Z., Clinite, R., Mao, S. S., Zhu, P., Sheng, Z., Zhang, J., Cao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+electron+beam+imaging+of+femtosecond+laser-induced+plasma+dynamics.">Ultrafast electron beam imaging of femtosecond laser-induced plasma dynamics.</a> J. Appl. Phys. 107, 083305 (2010).</li><li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femtosecond+optical+diagnostics+and+hydrodynamic+simulation+of+Ag+plasma+created+by+laser+irradiation+of+a+solid+target.">Femtosecond optical diagnostics and hydrodynamic simulation of Ag plasma created by laser irradiation of a solid target.</a> J. Phys. B. 41, 125704 (2008).</li><li>Geindre, J. P., Audebert, P., Rousse, A., Falli&#233;s, F., Gauthier, J. C., Mysyrowicz, A., Santos, A. D., Hamoniaux, G., Antonetti, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency-domain+interferometer+for+measuring+the+phase+and+amplitude+of+a+femtosecond+pulse+probing+a+laser-produced+plasma.">Frequency-domain interferometer for measuring the phase and amplitude of a femtosecond pulse probing a laser-produced plasma.</a> Opt. Lett. 19, 1997-1999 (1994).</li><li>Inogamov, N. A., Anisimov, S. I., Petrov, Y. u. V., Khokhlov, V. A., Zhakhovskii, V. V., Nishihara, K., Agranat, M. B., Ashitkov, S. I., Komarov, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+and+experimental+study+of+hydrodynamics+of+metal+target+irradiated+by+ultrashort+laser+pulse.">Theoretical and experimental study of hydrodynamics of metal target irradiated by ultrashort laser pulse.</a> Proc. SPIE. 7005, 70052F.1-70052F.10 (2008).</li><li>Flacco, A., Guemnie-Tafo, A., Nuter, R., Veltcheva, M., Batani, D., Lefebvre, E., Malka, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+a+controlled+plasma+expansion+in+vacuum+for+laser+driven+ion+acceleration.">Characterization of a controlled plasma expansion in vacuum for laser driven ion acceleration.</a> J. Appl. Phys. 104, 103304.1-103304.5 (2008).</li><li>Mao, S. S., Mao, X., Greif, R., Russo, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulation+of+a+picosecond+laser+ablation+plasma.">Simulation of a picosecond laser ablation plasma.</a> Appl. Phys. Lett. 76, 3370-3372 (2000).</li><li>Chen, Z., Mao, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femtosecond+laser-induced+electronic+plasma+at+metal+surface.">Femtosecond laser-induced electronic plasma at metal surface.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 051506.1-051506.3 (2008).</li><li>Kononenko, T. V., Konov, V. I., Garnov, S. V., Danielius, R., Piskarskas, A., Tamoshauskas, G., Dausinger, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+study+of+the+ablation+of+materials+by+femtosecond+and+pico-+or+nanosecond+laser+pulses.">Comparative study of the ablation of materials by femtosecond and pico- or nanosecond laser pulses.</a> Quantum Electron. 29, 724-728 (1999).</li><li>Dausinger, F., Hügel, H., Konov, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-machining+with+ultrashort+laser+pulses:+From+basic+understanding+to+technical+applications.">Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications.</a> Proc. SPIE. 5147, 106-115 (2003).</li><li>Hu, W., Shin, Y. C., King, G. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early-stage+plasma+dynamics+with+air+ionization+during+ultrashort+laser+ablation+of+metal.">Early-stage plasma dynamics with air ionization during ultrashort laser ablation of metal.</a> Phys. of Plasmas. 18, 093302.1-093302.12 (2011).</li></ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

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.

<table border="1"><tbody><tr><td> Bezeichnung des Geräts </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td></tr><tr><td> Laser </td><td> Spectra-Physics </td><td> SPTF-100F-1K-1P </td></tr><tr><td> ICCD-Kamera </td><td> Princeton Instruments </td><td> 7467-0028 </td></tr><tr><td> Oszilloskop </td><td> Rigol </td><td> DS1302CA </td></tr><tr><td> Fotodiode </td><td> Newport </td><td> 818-BB30 </td></tr><tr><td> Lineartisch </td><td> Newport </td><td> 433 </td></tr><tr><td> Messuhr </td><td> Mitutoyo </td><td> ID-C112E </td></tr></tbody></table>

investigation of early plasma evolution induced by ultrashort laser pulses

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.

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Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses

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.

Untersuchung der frühen Evolution von Plasma ultrakurzer Laserpulse

Early plasma is generated owing to high intensity laser irradiation of target and the subsequent target material ionization. Its dynamics plays a ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

14.9K Aufrufe.  Purdue University. 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.

Serie: Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

Herstellung von transparenten leitenden Oxide durch Pulsed Laser Deposition Nano-engineered

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Forschung

Ingenieurwesen

Laser-induced Breakdown Spectroscopy: A New Approach for Nanoparticle's Mapping and Quantification in Organ Tissue

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) performed on thin sections of rodent tissues: kidneys and tumor, allows the detection of inorganic elements such as (i) Na, Ca, Cu, Mg, P, and Fe, naturally present in the body and (ii) Si and Gd, detected after the injection of gadolinium-based nanoparticles. The animals were euthanized 1&#160;to 24 hr&#160;after intravenous injection of particles. A two-dimensional scan of the sample, performed using a motorized micrometric 3D-stage, allowed the infrared laser beam exploring the surface with a lateral resolution less than 100 &#956;m. Quantitative chemical images of Gd element inside the organ were obtained with sub-mM sensitivity. LIBS offers a simple and robust method to study the distribution of inorganic materials without any specific labeling. Moreover, the compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of the same biological tissue with different types of response:&#160;elemental, molecular, or cellular.

Laser-induced breakdown spectroscopy performed on thin organ and tumor tissue successfully detected natural elements and artificially injected gadolinium (Gd), issued from Gd-based nanoparticles. Images of chemical elements reached a resolution of 100 &#956;m and quantitative sub-mM sensitivity. The compatibility of the setup with standard optical microscopy emphasizes its potential to provide multiple images of a same biological tissue.

Laserinduzierte Plasmaspektroskopie: ein neuer Ansatz für die Nanopartikel-Mapping und Quantifizierung in Organgewebe

Emission spectroscopy of laser-induced plasma was applied to elemental analysis of biological samples. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) ...

Laser-induced Forward Transfer for Flip-chip Packaging of Single Dies

Flip-chip (FC) packaging is a key technology for realizing high performance, ultra-miniaturized and high-density circuits in the micro-electronics industry. In this technique the chip and/or the substrate is bumped and the two are bonded via these conductive bumps. Many bumping techniques have been developed and intensively investigated since the introduction of the FC technology in 19601 such as stencil printing, stud bumping, evaporation and electroless/electroplating2. Despite the progress that these methods have made they all suffer from one or more than one drawbacks that need to be addressed such as cost, complex processing steps, high processing temperatures, manufacturing time and most importantly the lack of flexibility. In this paper, we demonstrate a simple and cost-effective laser-based bump forming technique known as Laser-induced Forward Transfer (LIFT)3. Using the LIFT technique a wide range of bump materials can be printed in a single-step with great flexibility, high speed and accuracy at RT. In addition, LIFT enables the bumping and bonding down to chip-scale, which is critical for fabricating ultra-miniature circuitry.

We demonstrate the use of the Laser-induced Forward Transfer (LIFT) technique for flip-chip assembly of optoelectronic components. This approach provides a simple, cost-effective, low-temperature, fast and flexible solution for fine-pitch bumping and bonding on chip-scale for achieving high-density circuits for optoelectronic applications.

Laser-induzierte Vorwärtstransfer für Flip-Chip-Packaging der Einzelstümpfe

Flip-chip (FC) packaging is a key technology for realizing high performance, ultra-miniaturized and high-density circuits in the micro-electronics ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

How to Ignite an Atmospheric Pressure Microwave Plasma Torch without Any Additional Igniters

This movie shows how an atmospheric pressure plasma torch can be ignited by microwave power with no additional igniters. After ignition of the plasma, a stable and continuous operation of the plasma is possible and the plasma torch can be used for many different applications. On one hand, the hot (3,600 K gas temperature) plasma can be used for chemical processes and on the other hand the cold afterglow (temperatures down to almost RT) can be applied for surface processes. For example chemical syntheses are interesting volume processes. Here the microwave plasma torch can be used for the decomposition of waste gases which are harmful and contribute to the global warming but are needed as etching gases in growing industry sectors like the semiconductor branch. Another application is the dissociation of CO2. Surplus electrical energy from renewable energy sources can be used to dissociate CO2 to CO and O2. The CO can be further processed to gaseous or liquid higher hydrocarbons thereby providing chemical storage of the energy, synthetic fuels or platform chemicals for the chemical industry. Applications of the afterglow of the plasma torch are the treatment of surfaces to increase the adhesion of lacquer, glue or paint, and the sterilization or decontamination of different kind of surfaces. The movie will explain how to ignite the plasma solely by microwave power without any additional igniters, e.g., electric sparks. The microwave plasma torch is based on a combination of two resonators &#8212; a coaxial one which provides the ignition of the plasma and a cylindrical one which guarantees a continuous and stable operation of the plasma after ignition. The plasma can be operated in a long microwave transparent tube for volume processes or shaped by orifices for surface treatment purposes.

This movie shows how an atmospheric plasma torch can be ignited by microwaves with no additional igniters and provides a stable and continuous plasma operation suitable for plenty of applications.

Wie man eine Atmosphärischer Druck Mikrowellenplasmabrenner zünden ohne zusätzliche Zünder

This movie shows how an atmospheric pressure plasma torch can be ignited by microwave power with no additional igniters. After ignition of the plasma, a ...

Automation of Mode Locking in a Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser through Output Polarization Measurements

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a new and inexpensive procedure to force mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser. This procedure is based on the detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs. This change is used to command the alignment of the intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions. More specifically, the value of the first Stokes parameter varies when the angle of the polarization controller is swept and, moreover, it undergoes an abrupt variation when the laser enters the mode-locked state. Monitoring this abrupt variation provides a practical easy-to-detect signal that can be used to command the alignment of the polarization controller and drive the laser towards mode locking. This monitoring is achieved by feeding a small portion of the signal to a polarization analyzer measuring the first Stokes parameter. A sudden change in the read out of this parameter from the analyzer will occur when the laser enters the mode-locked state. At this moment, the required angle of the polarization controller is kept fixed. The alignment is completed. This procedure provides an alternate way to existing automating procedures that use equipment such as an optical spectrum analyzer, an RF spectrum analyzer, a photodiode connected to an electronic pulse-counter or a nonlinear detecting scheme based on two-photon absorption or second harmonic generation. It is suitable for lasers mode locked by nonlinear polarization rotation. It is relatively easy to implement, it requires inexpensive means, especially at a wavelength of 1550 nm, and it lowers the production and operation costs incurred in comparison to the above-mentioned techniques.

A protocol to detect and automate mode locking in a pre-adjusted nonlinear polarization rotation fiber laser is presented. The detection of a sudden change in the output polarization state when mode locking occurs is used to command the alignment of an intra-cavity polarization controller in order to find mode-locking conditions.

Automatisierung der Modenkopplung in einem nicht-linearen Polarisationsdrehung Faserlaser durch Ausgabe Polarisationsmessungen

When a laser is mode-locked, it emits a train of ultra-short pulses at a repetition rate determined by the laser cavity length. This article outlines a ...

Laser-induced Forward Transfer of Ag Nanopaste

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of these processes such as inkjet3 and laser-induced forward transfer (LIFT)4 have become increasingly popular as interest in printable electronics and maskless patterning has grown. These additive manufacturing processes are inexpensive, environmentally friendly, and well suited for rapid prototyping, when compared to more traditional semiconductor processing techniques. While most direct-write processes are confined to two-dimensional structures and cannot handle materials with high viscosity (particularly inkjet), LIFT can transcend both constraints if performed properly. Congruent transfer of three dimensional pixels (called voxels), also referred to as laser decal transfer (LDT)5-9, has recently been demonstrated with the LIFT technique using highly viscous Ag nanopastes to fabricate freestanding interconnects, complex voxel shapes, and high-aspect-ratio structures. In this paper, we demonstrate a simple yet versatile process for fabricating a variety of micro- and macroscale Ag structures. Structures include simple shapes for patterning electrical contacts, bridging and cantilever structures, high-aspect-ratio structures, and single-shot, large area transfers using a commercial digital micromirror device (DMD) chip.

We demonstrate the use of the Laser-induced forward transfer technique (LIFT) for the printing of high-viscosity Ag paste. This technique offers a simple, low temperature, robust process for non-lithographically printing microscale 2D and 3D structures.

Laser-induzierte Vorwärts Übertragung von Ag von Nano

Over the past decade, there has been much development of non-lithographic methods1-3 for printing metallic inks or other functional materials. Many of ...

An Atmospheric Pressure Plasma Setup to Investigate the Reactive Species Formation

Non-thermal atmospheric pressure (&#39;cold&#39;) plasmas have received increased attention in recent years due to their significant biomedical potential. The reactions of cold plasma with the surrounding atmosphere yield a variety of reactive species, which can define its effectiveness. While efficient development of cold plasma therapy requires kinetic models, model benchmarking needs empirical data. Experimental studies of the source of reactive species detected in aqueous solutions exposed to plasma are still scarce. Biomedical plasma is often operated with He or Ar feed gas, and a specific interest lies in investigation of the reactive species generated by plasma with various gas admixtures (O2, N2, air, H2O vapor, etc.) Such investigations are very complex due to difficulties in controlling the ambient atmosphere in contact with the plasma effluent. In this work, we addressed common issues of &#39;high&#39; voltage kHz frequency driven plasma jet experimental studies. A reactor was developed allowing the exclusion of ambient atmosphere from the plasma-liquid system. The system thus comprised the feed gas with admixtures and the components of the liquid sample. This controlled atmosphere allowed the investigation of the source of the reactive oxygen species induced in aqueous solutions by He-water vapor plasma. The use of isotopically labelled water allowed distinguishing between the species originating in the gas phase and those formed in the liquid. The plasma equipment was contained inside a Faraday cage to eliminate possible influence of any external field. The setup is versatile and can aid in further understanding the cold plasma-liquid interactions chemistry.

An experimental setup was created for the helium-operated kHz frequency plasma jet. The setup includes a cage for the plasma power supply and jet and an in-house built reactor to monitor plasma-induced reactive species without the interference of the ambient atmosphere.

Ein Atmosphärendruck-Plasma-Setup die reaktive Spezies Formation zur Untersuchung

Non-thermal atmospheric pressure (&#39;cold&#39;) plasmas have received increased attention in recent years due to their significant biomedical potential. ...

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using femtosecond laser-induced ablation. We show that thousands of periodic nano-craters are fabricated on an optical nanofiber by irradiating with just a single femtosecond laser pulse. For a typical sample, periodic nano-craters with a period of 350 nm and with diameter gradually varying from 50 - 250 nm over a length of 1 mm are fabricated on a nanofiber with diameter around 450 - 550 nm. A key aspect of such a nanofabrication is that the nanofiber itself acts as a cylindrical lens and focuses the femtosecond laser beam on its shadow surface. Moreover, the single-shot fabrication makes it immune to mechanical instabilities and other fabrication imperfections. Such periodic nano-craters on nanofiber, act as a 1-D PhC and enable strong and broadband reflection while maintaining the high transmission out of the stopband. We also present a method to control the profile of the nano-crater array to fabricate apodized and defect-induced PhC cavities on the nanofiber. The strong confinement of the field, both transverse and longitudinal, in the nanofiber-based PhC cavities and the efficient integration to the fiber networks, may open new possibilities for nanophotonic applications and quantum information science.

We present a protocol for fabricating 1-D photonic crystal cavities on subwavelength diameter silica fibers (optical nanofibers) using femtosecond laser-induced ablation.

Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering thermal wave fields that are disturbed by the defect. This effect is measured and used to locate the defect. We form the destructively interfering wave fields by using a modified projector. The original light engine of the projector is replaced with a fiber-coupled high-power diode laser. Its beam is shaped and aligned to the projector&#39;s spatial light modulator and optimized for optimal optical throughput and homogeneous projection by first characterizing the beam profile, and, second, correcting it mechanically and numerically. A high-performance infrared (IR) camera is set up according to the tight geometrical situation (including corrections of the geometrical image distortions) and the requirement to detect weak temperature oscillations at the sample surface. Data acquisition can be performed once a synchronization between the individual thermal wave field sources, the scanning stage, and the IR camera is established by using a dedicated experimental setup which needs to be tuned to the specific material being investigated. During data post-processing, the relevant information on the presence of a defect below the surface of the sample is extracted. It is retrieved from the oscillating part of the acquired thermal radiation coming from the so-called depletion line of the sample surface. The exact location of the defect is deduced from the analysis of the spatial-temporal shape of these oscillations in a final step. The method is reference-free and very sensitive to changes within the thermal wave field. So far, the method has been tested with steel samples but is applicable to different materials as well, in particular to temperature sensitive materials.

This method aims at locating vertical subsurface defects. Here, we couple a laser with a spatial light modulator and trigger its video input to heat a sample surface deterministically with two anti-phased modulated lines while acquiring highly resolved thermal images. The defect position is retrieved from evaluating thermal wave interference minima.

Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

The presented method is used to locate subsurface defects oriented perpendicularly to the surface. To achieve this, we create destructively interfering ...