Livraison automatisée de cibles microfabriquées pour des expériences intenses d’irradiation laser

Résumé

Un protocole est présenté pour l’irradiation automatisée des feuilles d’or minces avec des impulsions laser de haute intensité. Le protocole comprend une description étape par étape du processus de fabrication de la cible de micromachining et un guide détaillé pour la façon dont les cibles sont portées au point du laser à un taux de 0,2 Hz.

Résumé

Décrit est une procédure expérimentale qui permet l’irradiation laser de haute puissance des cibles microfabriquées. Les cibles sont portées au point laser par une boucle de rétroaction fermée qui fonctionne entre le manipulateur cible et un capteur de portée. Le processus de fabrication cible est expliqué en détail. Des résultats représentatifs des faisceaux de protons de niveau MeV générés par l’irradiation de feuilles d’or de 600 nm d’épaisseur à un taux de 0,2 Hz sont donnés. La méthode est comparée à d’autres systèmes cibles réapprovisionnement et les perspectives d’augmenter les taux de tir à plus de 10 Hz sont discutées.

Introduction

L’irradiation laser de haute intensité des cibles solides génère de multiples formes de rayonnement. L’un d’eux est l’émission d’ions énergétiques avec des énergies au niveau Mega electron-volt (MeV)¹. Une source compacte d’ions MeV a un potentiel pour de nombreuses applications, telles que l’allumage rapide des^{protons 2,}la radiographie des^{protons 3,}la radiothérapie irionale⁴et la génération neutronique⁵.

Un défi majeur pour rendre l’accélération laser-ion pratique est la capacité de positionner les cibles à l’échelle du micromètre avec précision dans le foyer du laser à un taux élevé. Peu de technologies de livraison cibles ont été mises au point pour relever ce défi. Les plus courants sont les systèmes cibles basés sur des bandes épaisses à l’échelle du micromètre. Ces cibles sont simples à reconstituer et peuvent être facilement positionnées dans le foyer du laser. La cible de bande a été faite utilisant VHS^6,cuivre^7,Mylar, et Kapton⁸ bandes. Le système d’entraînement sur bande se compose généralement de deux bobines motorisées pour l’enrouement et le déroulement et de deux broches verticales placées entre elles pour maintenir le ruban en position^9. La précision dans le positionnement de la surface du ruban est généralement inférieure à la portée Rayleigh du faisceau de focalisation. Un autre type de cible laser réapprovisionnable est les feuilles liquides¹⁰. Ces cibles sont livrées rapidement à la région d’interaction et introduisent une très faible quantité de débris. Ce système comprend une pompe à seringues haute pression fournie en permanence avec du liquide provenant d’un réservoir. Récemment, de nouveaux jets d’hydrogène cryogéniques^{11 ont} été établis comme moyen de livrer des cibles ultrathin, à faible débris et réapprovisionnables.

Le principal inconvénient de tous ces systèmes cibles réapprovisionnables est le choix limité des matériaux cibles et des géométries, qui sont dictés par des exigences mécaniques telles que la force, la viscosité et la température de fusion.

Ici, un système capable d’amener des cibles micromachinées au centre d’un laser de haute intensité à un taux de 0,2 Hz est décrit. Micromachining offre un large choix de matériaux cibles dans des géométries polyvalentes¹². Le positionnement de la cible est effectué par une rétroaction en boucle fermée entre un capteur de déplacement commercial et un manipulateur motorisé.

Le système de livraison cible a été testé à l’aide d’un système laser à contraste élevé de 20 TW qui fournit des impulsions laser de 25 fs de long avec 500 mJ sur la cible. Un examen de l’architecture du système laser est donné dans Porat et coll.¹³, et une description technique du système cible est donnée dans Gershuni et coll.¹⁴. Cet article présente une méthode détaillée pour la fabrication et l’utilisation de ce type de système et montre des résultats représentatifs de l’accélération laser-ion des cibles ultrathin feuille d’or.

Le spectromètre iion Thomson Parabola (TPIS)^15,16 indiqué à la figure 1 a été utilisé pour enregistrer les spectres énergétiques des ions émis. Dans un TPIS, les ions accélérés passent par des champs électriques et magnétiques parallèles, ce qui les place sur des trajectoires paraboliques dans le plan focal. La courbure parabolique dépend du rapport charge-masse de l’ion, et l’emplacement le long de la trajectoire est défini par l’énergie de l’ion.

Une plaque d’imagerie BAS-TR (IP)¹⁷ placée au plan focal du TPIS enregistre les ions d’empiage. L’IP est attaché à une procédure d’alimentation mécanique pour permettre la traduction vers une zone fraîche avant chaque prise de vue.

Protocole

1. Fabrication cible

REMARQUE : La figure 2 et la figure 3 illustrent le processus de fabrication des feuilles d’or autoportantes.

1. Côté arrière
   1. Utilisez une gaufrette de silicium de 250 μm d’épaisseur, de 100 mm de diamètre et à stress élevé dans une formation de cristal de 100 μm, recouverte des deux côtés de nitride de silicium.
   2. Nettoyer la gaufrette à l’aide d’acétone suivie d’isopropanol et sécher avec de l’azote.  Ensuite, faites tourner une couche de SMHM pour former une couche adhésive en suivant les étapes décrites dans le tableau 1.
   3. Enduire la gaufrette d’une couche photorésiste AZ1518 en suivant les étapes décrites dans le tableau 2.
   4. Cuire la gaufrette à 100 °C pendant 1 min, puis laisser refroidir.
   5. Photolithographie 1000 μm x 1000 ouvertures carrées de μm sous vide, exposant la gaufrette en 1 cycle de 4 à 7 secondes à une lampe UV de 400 nm. La gaufrette est exposée à une fluence globale de 40 J/cm^2. Utilisez un développeur AZ726K pour exposer le nitride de silicium, et un bain d’eau déshydratée pour arrêter le processus.
   6. Utilisez Reactive Ion Etcher (RIE) pour enlever le nitride de silicium à l’emplacement des carrés.
   7. Utilisez un bain N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) pendant 20 min pour enlever la résistance résiduelle et photorésistante, produisant une réplique du masque sur la couche de nitride de silicium. Laver la gaufrette sous l’eau douce et sécher avec de l’azote.
   8. Enfoncez la gaufrette dans une solution hydroxyde de potassium à 30%, 90 °C, pour graver le silicium à travers les ouvertures carrées. Couler la gaufrette pendant 40 min pour chaque 50 μm de silicium qui doit être gravé. Parce que le taux d’échoir dans le <100> plan est beaucoup plus élevé que dans d’autres, l’hydroxyde de potassium atteint la couche inférieure de nitride de silicium à travers le silicium en vrac avant de graver toute profondeur significative dans le masque de nitride de silicium.
2. Côté avant
   1. Pour le côté avant, répétez les étapes 1.1.1-1.1.6 avec un masque en forme de trois anneaux concentriques.
   2. Utilisez RIE pour enlever le nitride de silicium où se trouvent les anneaux, suivi d’un bain NMP pour enlever les restes résistants et photorésistants.
   3. Enfin, pour rugueuser les anneaux de silicium, couler la gaufrette dans de l’acide nitrique et dans une solution de nitrate d’argent de 0,02 M et de fluorure d’hydrogène de 4 M.
   4. Sur le côté gravé de la gaufrette, utilisez une machine de dépôt de vapeur physique (PVD)¹⁸ pour pulvériser une couche de quelques centaines de nanomètres d’or au-dessus d’un film mince d’environ 10 nm de titane adhésif, nickel ou chrome. La couche d’or pulvérisée deviendra la cible de membrane autonome.

2. Alignement

REMARQUE : La figure 4 montre la configuration de l’irradiation cible.

1. Mettre en vue une première cible choisie arbitrairement sous un microscope grossissant 100x.
2. Pointer un capteur de triangulation (p. ex., MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)¹⁹ à l’anneau rugueux le plus proche de la cible, et enregistrer sa lecture de déplacement.
   REMARQUE : Le modèle de capteur de portée utilisé n’est pas destiné aux applications à vide élevé. Différents modèles, comme le MTI-2100 du même fournisseur, sont compatibles avec des applications à faible dégazage.
3. Tout en laissant le microscope en place, déplacez la plaquette loin d’une distance connue pour dégager le chemin de faisceau.
4. À l’aide de deux miroirs pliants et du miroir parabolique hors axe (OAP), alignez le faisceau à faible puissance dans le champ de vision du microscope.
5. Ajustez ces trois miroirs pour corriger les astigmatismes dans le faisceau. Le résultat devrait être une tache focale presque diffraction-limitée.
6. Bloquez le faisceau laser et ramenez la cible au centre du microscope. Validez sa position à l’aide du microscope et de la lecture du capteur de portée.
7. Déplacez le microscope vers une position dans laquelle il sera gardé à l’abri de la lumière laser et des débris.

3. Séquence d’irradiation et positionnement automatisé des cibles

1. Implémenter une rétroaction en boucle fermée entre le manipulateur de l’axe focal de la cible et la lecture du capteur de déplacement à l’aide d’un logiciel. Utilisez la valeur enregistrée de l’étape 2.2 du protocole comme point de défini. La séquence de commande^{principale de PID 20,} préparée avec LabView, est indiquée dans la figure 5.
2. Une fois que le positionnement en boucle fermée a atteint la distance de tolérance souhaitée par rapport au point défini, irradier la cible avec une seule impulsion laser de haute puissance.
3. Traduire l’IP à l’aide de la procédure d’alimentation mécanique à une nouvelle position.
4. Répétez la séquence d’irradiation avec la cible suivante mise au point par le logiciel.

Résultats

Ce système de livraison cible a été utilisé pour accélérer les ions de l’arrière des feuilles d’or de 600 nm d’épaisseur. Lorsqu’ils sont irradiés avec une intensité laser normalisée_{d’un 0} = 5,6, ces ions ont été accélérés par le mécanisme normal cible d’accélération de gaine (TNSA)²¹. Dans TNSA, la lumière de faible intensité qui a précédé l’impulsion laser principale a ionisé la surface avant de la feuille cible. La force ponderomotive exercée p...

Discussion

Avec quelques variations, le processus de fabrication cible décrit dans ce protocole est commun (p. ex., Zaffino et coll.²³). Ici, une étape unique qui est essentielle au fonctionnement du positionnement automatique est l’ajout d’un roughening à l’échelle nanométrique dans les zones en forme d’anneau à l’arrière de la plaquette (étape 1.2.3). Le but de cette étape est d’augmenter la diffusion diffuse de l’incident de lumière sur la plaquette dans ces zones. Le capteur de po...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
76.2 x 127mm EFL 90° Protected Gold 100Å Off-Axis Parabolic Mirror	Edmund optics	35-535
MicroTrak 3 LTS 120-20	MTI Instruments
Ultrafast high power dielectric mirrors for 800 nm	Thorlabs