המחברים מבקשים להודות בתודה תמיכה כספית בתנאי לצורך מחקר זה על ידי הקרן הלאומית למדע (גרנט לא: CMMI-0653578, CBET-0853890).

1. מערכת ההתקנה אופטי (איור 1) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת הצלחת חצי גל מקטב בעקבות פלט לייזר כדי להתאים את האנרגיה הדופק לייזר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להקים קרן splitter אחרי מקטב לפצל את הדופק לייזר שתי פעימות הדופק: משאבת והדופק בדיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש ארבעה מראות המשקפות ובמה translational ידנית על מנת לבנות מכשיר עיכוב אופטי דופק את המשאבה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש עוד מראות המשקפות ארבע להנחות את הדופק משאבת להגיע אל פני השטח היעד אנכית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת גנרטור הרמוני 2 (SHG) להפוך את הדופק לייזר באורך גל של nm 800 ל -400 ננומטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש מפריד הרמונית להעביר את הדופק 800 ננומטר ומשקפים את הדופק ל -400 ננומטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת כמפחית קרן וזוג עדשות focally כדי להתאים את גודל ואת ההתכנסות של הדופק בדיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת התקן אחר עיכוב אופטי, כאמור בשלב 1.3, את הדופק בדיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש טבעת איריס להתאים את שטח שלבדיקה הדופק ולוודא את הדופק בדיקה להעביר את השטח למטרה אופקית מצטלבים עם דופק את המשאבה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת שתי עדשות אובייקטיביים ומסננים כמה לייצר את הדימוי של אזור פלזמה להתקבל על ידי מכשיר תשלום מצמידים התעצמה (ICCD) המצלמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את המחשב, לייזר, מצלמה ICCD הבקר שלה באמצעות כבלי BNC או כבל USB. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתאים את זמן השהיה של בקר המצלמה עד המצלמה לוכדת תמונה של הדופק בדיקה. לפיכך, דופק את החללית ואת המצלמה מסונכרנים. </li></ol> 2. משאבה בדיקה סנכרון <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח קרן splitter בצומת של דופק את המשאבה ואת הדופק בדיקה, ולהקים שתי פוטודיודות לקבל שתי פעימות. שני פוטודיודות צריך באותו מרחק מן ספליטר הקורה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש אוסצילוסקופ לקבל את האותות של שני פוטודיודות, ולעבור לשלב עיכוב על דרך הדופק משאבת הקורה עד Proקבצים של דופק את המשאבה ואת הדופק בדיקה חופפים זה עם זה על המסך אוסצילוסקופ. ברמת דיוק של 20 נ.ב. מושגת בשל ההחלטה הזמני של אוסצילוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את הקורה מפצל ושני פוטודיודות כאמור בשלב 2.1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את שלב עיכוב על דרך הדופק משאבת הקורה עד לאזור פירוט האוויר יכול פשוט לצפות במסך ICCD. בזמן היווצרות של תקלה באוויר ניתן היה לזהות במקום רקע אחיד נקבע אפס זמן עיכוב. </li></ol> 3. לדוגמה שלב ההכנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להקים מעבדה ג&#39;ק בשני שלבים ליניאריים ידנית כדי להעביר את המדגם עם שלוש דרגות חופש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש אינדיקטור חיוג shims דיוק גבוהה כדי להשיג שטיחות גבוהה של השלבים. ההבדל גובה צריך להיות בטווח של 1 מיקרומטר לכל במרחק של 25.4 מ&quot;מ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים חתיכה מרובע (30 מ&quot;מ × 30 מ&quot;מ) מתוך גיליון Cu עם עובי של 0.8 מ&quot;מ בעזרת כרסוםהמכונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פולין צדדי צר (30 מ&quot;מ × 0.8 מ&quot;מ) של היצירה Cu עד חספוס פני השטח הוא מתחת 0.5 מיקרומטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תקן את היצירה Cu על הבמה את המדריך למעלה עם פנים צרות מלוטש למעלה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העבר את היעד על ידי שימוש במה אחת כאמור בשלב 3.1) ואילו לפקח מעמדה באמצעות המצלמה ICCD כך שכל הטיה תוכלו להתאים על ידי הוספת shims דיוק גבוהה מתחת ליעד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלב 3.6 משלב את המדריך השני. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקדוח עשרות חורים על המטרה בעוד משתנים את המיקום של העדשה על ידי מיקוד ידני בשלב 3 דיוק גבוהה. מיקום מוקד מקביל לתפקיד של העדשה מרכזית בו את החור הקטן ביותר הוא קדח. </li></ol> 4. אבלציה ומדידה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להעביר את מיקוד העדשה עד למרחק של כ 50 מיקרומטר הרחק מנקודת המוקד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להזיז את הבמה עיכוב על נתיב קרן הדופק בדיקה עם מרווח של 0.3 מ&quot;מ כדי ללכוד את התמונה בכל PS 2 עד 10 PS, אועם מרווח של 3 מ&quot;מ כדי ללכוד את התמונה בכל 20 עד 480 PS PS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלב 4.2 עבור מספר פעמים עבור הדירות ודיוק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להעביר את מיקוד העדשה עד למרחק של כ 50 מיקרומטר הרחק מנקודת המוקד, וחזור על שלב 4.3. </li></ol> 5. נציג תוצאות התמונות shadowgraph הנמדדים בהם באיור. איור 2 ו. 3, את נקודת הכובד מעט מעל ומתחת לפני היעד, בהתאמה. עמדות והרחבת אורכיים רדיאלי הם להתוות איור. איור 4 ו. 5. את הרחבות האורך של שני מקרים 1 100 PS הם שונים באופן משמעותי, עם זאת, הרחבות האורך שלהם הבאה 400 PS ו הרחבות רדיאליים שלהם דומים. במקרה הראשון, פלזמה מוקדמת בטווח של 100 נ.ב. יש מבנה חד ממדי הרחבה בהיקף של מספר שכבות. במקרה השני, PL מוקדםאסמא יש מבנה דו מימדי ההרחבה זה לא משנה הרבה בתוך 100 PS. מודל הסימולציה 12 משמש לחקור את המנגנון של האבולוציה פלזמה מוקדם. אפס זמן מוגדר בזמן הדופק לייזר השיא מגיע לפני השטח היעד. את מדומה המוקדמות התפתחות תהליכים פלזמה מסכים גם עם התוצאות נמדדו הן של שני המקרים האלה, כפי שמוצג באיור. איור 6 ו. 7, בהתאמה. היווצרות של פלזמה מוקדם בתוך 1 PS הוא ניבא גם במקרה הראשון באמצעות מודל סימולציה באיור. 8. פלזמה מוקדם נמצא יש פירוט האוויר באזור ואת אזור פלזמה מ&quot;ק. פירוט האוויר נגרמת על ידי 1 יינון רב פוטון ולאחר מכן ואחריו יינון מפולת. במקרה השני, לעומת זאת, המוקד הוא מתחת לפני השטח היעד ולא באזור נפרד פירוט האוויר נוצר. במקום זאת, יינון האוויר מתרחשת ליד PLA Cuמול SMA והיא נגרמת על ידי בשל ההשפעה יינון על אלקטרונים חופשיים שנפלטו מן המטרה מ&quot;ק. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/4033/4033fig1.jpg" /> באיור 1. סכמטי של מדידת המשאבה, בדיקה shadowgraph. <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/4033/4033fig2.jpg" /> איור 2. Cu פלזמה הרחבת לפעמים עיכוב רצופים עם נקודת מיקוד מעט מעל פני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: מ&quot;ק. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/4033/4033fig3.jpg" /> איור 3. Cu פלזמה הרחבת לפעמים עיכוב רצופים עם נקודת מיקוד מעט מתחת לפני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: מ&quot;ק. &lt;img alt = &quot;איור 4&quot; src = &quot;/ files/ftp_upload/4033/4033fig4.jpg&quot; /&gt; איור 4. פלזמה אורך ועמדות הרחבה רדיאליים בזמנים עיכוב רצופים עם מוקד מעט מעל פני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: מ&quot;ק. <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/4033/4033fig5.jpg" /> איור 5. פלזמה אורך ועמדות הרחבה מחוגי הזמן עיכוב רצופים עם נקודת מיקוד מעט מתחת לפני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: מ&quot;ק. איור 6. אנימציה של התפשטות פלזמה נמדד ומחושב תוך זמן עיכוב של 70 נ.ב. עם נקודת מיקוד מעט מעל פני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 </sup&gt; W / cm 2: היעד: Cu. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie6.avi" target="_blank">לחץ כאן כדי לראות את האנימציה</a> . איור 7. אנימציה של התפשטות פלזמה נמדד ומחושב תוך זמן עיכוב של 70 נ.ב. עם נקודת מיקוד מעט מתחת לפני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד: Cu. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie7.avi" target="_blank">לחץ כאן כדי לראות את האנימציה</a> . איור 8. אנימציה של התפשטות פלזמה נמדד ומחושב תוך זמן עיכוב של 1 PS עם נקודת מיקוד מעט מעל פני השטח. לייזר באורך גל: 800 ננומטר, משך הדופק: 100 FS: צפיפות הספק: 4.2 × 10 14 W / cm 2: היעד:. Cu <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4033/4033movie8.avi" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג אנימציה &lt;</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>

אין ניגוד עניינים הצהיר.

המדידה וסימולציה שיטות שהוצגו במאמר זה לאפשר בדיקות מדויקות יותר של הדינמיקה פלזמה הראשונים והבנה טובה יותר של המנגנונים יינון עבור שניהם אוויר מ&quot;ק. מבנים באיכות גבוהה פלזמה נלכדים עם רזולוציה הזמני של 1 PS ו ברזולוציה מרחבית של 1 מיקרומטר. מדידה זו הדירות גבוה מדי. ההליך הוא קריטי כדי ליישר את קרן היטב ולהכין משטח היעד עם השטיחות גבוהה כמו גם חספוס נמוך. גישה זו ניתן ליישם חומרים אחרים היעד ופרמטרים לייזר שונים. המגבלה היחידה של שיטה משאבה בדיקה shadowgraph הוא מספר נמוך מדי צפיפות אלקטרונים שונות.

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> שם הציוד </td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגי </td></tr><tr><td> לייזר </td><td> Spectra-Physics </td><td> SPTF-100F-1K-1P </td></tr><tr><td> ICCD המצלמה </td><td> פרינסטון מכשירים </td><td> 7467-0028 </td></tr><tr><td> אוסצילוסקופ </td><td> Rigol </td><td> DS1302CA </td></tr><tr><td> Photodiode </td><td> ניופורט </td><td> 818-BB30 </td></tr><tr><td> יישור קווי הבמה </td><td> ניופורט </td><td> 433 </td></tr><tr><td> חוגן </td><td> Mitutoyo </td><td> ID-C112E </td></tr></tbody></table>

investigation of early plasma evolution induced by ultrashort laser pulses

פלזמה מוקדם שנוצר עקב הקרנת לייזר גבוהה עוצמת היעד יינון לאחר מכן החומר היעד. הדינמיקה שלה משחק תפקיד משמעותי באינטראקציה לייזר חומר, במיוחד בסביבה אוויר 1-11. האבולוציה פלזמה מוקדם כבר שנתפסו באמצעות משאבה בדיקה shadowgraphy 1-3 ו interferometry 1,4-7. עם זאת, פרמטר הטווחים למד מסגרות זמן ויישומי לייזר מוגבלים. לדוגמה, בדיקות ישירות של מקומות פלזמה הקדמיות וצפיפות מספר אלקטרונים בתוך זמן עיכוב של picosecond 100 (PS) לגבי הדופק לייזר השיא עדיין מעט מאוד, במיוחד עבור הדופק ultrashort משך סביב femtosecond 100 (FS) ו צפיפות הספק נמוכה סביב 10 14 W / cm 2. פלזמה מוקדם שנוצר בתנאים אלה לא רק נתפס לאחרונה עם החלטות של זמן ומרחב גבוהה 12. הגדרת אסטרטגיה מפורטתנהלי המדידה הזו דיוק גבוהה יהיה לידי ביטוי במאמר זה. הרציונל של מדידה אופטית היא shadowgraphy משאבה בדיקה: 1 לייזר UltraShort הדופק מפוצל לדופק המשאבה ואת הדופק בדיקה, תוך השהיית זמן בין אותם ניתן להתאים על ידי שינוי נתיב הקורה שלהם אורכי. הדופק משאבת ablates היעד ויוצר פלזמה מוקדם, הדופק בדיקה מתפשטת דרך האזור פלזמה מזהה אחידות הלא צפיפות מספר האלקטרונים. בנוסף, אנימציות נוצרות באמצעות תוצאות שנמדדות מודל סימולציה של שופט. 12 כדי להמחיש את היווצרות והתפתחות פלזמה עם רזולוציה גבוהה מאוד (0.04 ~ 1 PS). גם שיטת הניסוי ואת שיטת הדמיה ניתן ליישם במגוון רחב של מסגרות זמן ופרמטרים לייזר. שיטות אלה ניתן להשתמש כדי לבחון את הפלזמה מוקדם שנוצר לא רק מתכות, אלא גם מוליכים למחצה ומבודדים.

Watch this Scientific Journal Video about Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses at JoVE.com

Investigation of Early Plasma Evolution Induced by Ultrashort Laser Pulses

שיטת הניסוי לבחון את האבולוציה פלזמה מוקדם הנגרם על ידי לייזר UltraShort פולסים מתואר. באמצעות שיטה זו, תמונות באיכות גבוהה של פלזמה מוקדם מתקבלים עם החלטות של זמן ומרחב גבוהה. מודל הרומן atomistic משולב משמש כדי לדמות ולהסביר את מנגנוני פלזמה מוקדם.

חקירת Evolution פלזמה מוקדם בהשפעת לייזר UltraShort קטניות

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

investigation-early-plasma-evolution-induced-ultrashort-laser

Research

JoVE Journal

Engineering

14.9K Views.  Purdue University. שיטת הניסוי לבחון את האבולוציה פלזמה מוקדם הנגרם על ידי לייזר UltraShort פולסים מתואר. באמצעות שיטה זו, תמונות באיכות גבוהה של פלזמה מוקדם מתקבלים עם החלטות של זמן ומרחב גבוהה. מודל הרומן atomistic משולב משמש כדי לדמות ולהסביר את מנגנוני פלזמה מוקדם.

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

Dependence of Laser-induced Breakdown Spectroscopy Results on Pulse Energies and Timing Parameters Using Soil Simulants

The dependence of some LIBS detection capabilities on lower pulse energies (&lt;100 mJ) and timing parameters were examined using synthetic silicate samples. These samples were used as simulants for soil and contained minor and trace elements commonly found in soil at a wide range of concentrations. For this study, over 100 calibration curves were prepared using different pulse energies and timing parameters; detection limits and sensitivities were determined from the calibration curves. Plasma temperatures were also measured using Boltzmann plots for the various energies and the timing parameters tested. The electron density of the plasma was calculated using the full-width half maximum (FWHM) of the hydrogen line at 656.5 nm over the energies tested. Overall, the results indicate that the use of lower pulse energies and non-gated detection do not seriously compromise the analytical results. These results are very relevant to the design of field- and person-portable LIBS instruments.

LIBS detection capabilities on soil simulants were tested using a range of pulse energies and timing parameters. Calibration curves were used to determine detection limits and sensitivities for different parameters. Generally, the results showed that there was not a significant reduction in detection capabilities using lower pulse energies and non-gated detection.

תלות של תוצאות ספקטרוסקופיה ההתפלגות מושרה לייזר על אנרגיות דופק ופרמטרים תזמון שימוש Simulants קרקע

The  dependence of some LIBS detection capabilities on lower pulse energies (&lt;100  mJ) and timing parameters were examined using synthetic silicate ...

Chemistry

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement is used. Here we operate a Nd:YAG laser at a frequency of 10 Hz at the fundamental wavelength of 1,064 nm. The 14 nsec pulses with anenergy of 190 mJ/pulse are focused to a 50 &#181;m spot size to generate a plasma from optical breakdown or laser ablation in air. The microplasma is imaged onto the entrance slit of a 0.6 m spectrometer, and spectra are recorded using an 1,800 grooves/mm grating an intensified linear diode array and optical multichannel analyzer (OMA) or an ICCD. Of interest are Stark-broadened atomic lines of the hydrogen Balmer series to infer electron density. We also elaborate on temperature measurements from diatomic emission spectra of aluminum monoxide (AlO), carbon (C2), cyanogen (CN), and titanium monoxide (TiO).
The experimental procedures include wavelength and sensitivity calibrations. Analysis of the recorded molecular spectra is accomplished by the fitting of data with tabulated line strengths. Furthermore, Monte-Carlo type simulations are performed to estimate the error margins. Time-resolved measurements are essential for the transient plasma commonly encountered in LIBS.

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Time-resolved atomic and diatomic molecular species are measured using LIBS. The spectra are collected at various time delays following the generation of optical breakdown plasma with Nd:YAG laser radiation&#160;and are analyzed to infer electron density and temperature.

מדידה וניתוח של מימן אטומי והמולקולרי דו האטומי ALO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, וההתפלגות מושרה הלייזר הבא TIO הספקטרום אופטית

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

חקירת Layer פליטה ספקטרליים Boundary במהלך פולשני חומר בדיקה ב Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line intensity ratios. By using a Johann spectrometer viewing the plasma, it is possible to construct profiles of plasma parameters such as density, temperature, and velocity with good spatial and time resolution. However, benchmarking atomic code modeling of X-ray spectra obtained from well-diagnosed laboratory plasmas is important to justify use of such spectra to determine plasma parameters when other independent diagnostics are not available. This manuscript presents the operation of the High Resolution X-ray Crystal Imaging Spectrometer with Spatial Resolution (HIREXSR), a high wavelength resolution spatially imaging X-ray spectrometer used to view hydrogen- and helium-like ions of medium atomic number elements in a tokamak plasma. In addition, this manuscript covers a laser blow-off system that can introduce such ions to the plasma with precise timing to allow for perturbative studies of transport in the plasma.

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas. This manuscript presents the operation of a high wavelength resolution spatially imaging X-ray spectrometer used to view hydrogen- and helium-like ions of medium atomic number elements in a tokamak plasma.

החלת רנטגן הדמיה קריסטל ספקטרוסקופיה לשימוש כמו טמפרטורה גבוהה אבחון פלזמה

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line ...

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb explosion imaging setup in which a hitherto-impractical camera angle is realized. In our imaging technique, diatomic molecules are irradiated with a circularly polarized strong laser pulse. The ejected atomic ions are accelerated perpendicularly to the laser propagation. The ions lying in the laser polarization plane are selected through the use of a mechanical slit and imaged with a high-throughput, 2-dimensional detector installed parallel to the polarization plane. Because a circularly polarized (isotropic) Coulomb exploding pulse is used, the observed angular distribution of the ejected ions directly corresponds to the squared rotational wave function at the time of the pulse irradiation. To create a real-time movie of molecular rotation, the present imaging technique is combined with a femtosecond pump-probe optical setup in which the pump pulses create unidirectionally rotating molecular ensembles. Due to the high image throughput of our detection system, the pump-probe experimental condition can be easily optimized by monitoring a real-time snapshot. As a result, the quality of the observed movie is sufficiently high for visualizing the detailed wave nature of motion. We also note that the present technique can be implemented in existing standard ion imaging setups, offering a new camera angle or viewpoint for the molecular systems without the need for extensive modification.

We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

Non-equilibrium Microwave Plasma for Efficient High Temperature Chemistry

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose of efficiently driving non-equilibrium chemistry is discussed. The advantage of a flowing plasma reactor is that continuous chemical processes can be driven with the flexibility of startup times in the seconds timescale. The plasma approach is generically suitable for conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. Here the reduction of CO2 to CO is used as a model system: the complementary diagnostics illustrate how a baseline thermodynamic equilibrium conversion can be exceeded by the intrinsic non-equilibrium from high vibrational excitation. Laser (Rayleigh) scattering is used to measure the reactor temperature and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to characterize in situ internal (vibrational) excitation as well as the effluent composition to monitor conversion and selectivity.

This article describes a flowing microwave reactor that is used to drive efficient non-equilibrium chemistry for the application of conversion/activation of stable molecules such as CO2, N2 and CH4. The goal of the procedure described here is to measure the in situ gas temperature and gas conversion.

פלזמה מיקרוגל לא שיווי משקל עבור כימיה יעילה טמפרטורה גבוהה

A flowing microwave plasma based methodology for converting electric energy into internal and/or translational modes of stable molecules with the purpose ...

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.

התקנת פלזמת לחץ אטמוספרה לחקר היווצרות המינים הריאקטיבי

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

An Experimental Protocol for Femtosecond NIR/UV - XUV Pump-Probe Experiments with Free-Electron Lasers

This protocol describes key steps in performing and analyzing femtosecond pump-probe experiments that combine a femtosecond optical laser with a free-electron laser. This includes methods to establish the spatial and temporal overlap between the optical and free-electron laser pulses during the experiment, as well as important aspects of the data analysis, such as corrections for arrival time jitter, which are necessary to obtain high-quality pump-probe data sets with the best possible temporal resolution. These methods are demonstrated for an exemplary experiment performed at the FLASH (Free-electron LASer Hamburg) free-electron laser in order to study ultrafast photochemistry in gas-phase molecules by means of velocity map ion imaging. However, most of the strategies are also applicable to similar pump-probe experiments using other targets or other experimental techniques.

This protocol describes the key steps for performing and analyzing pump-probe experiments combining a femtosecond optical laser with a free-electron laser in order to study ultrafast photochemical reactions in gas-phase molecules.

טיפול נסיוני עבור הפמטו-שנייה ניר/UV - XUV ניסויים משאבת-בדיקה עם לייזר אלקטרונים חופשיים

This protocol describes key steps in performing and analyzing femtosecond pump-probe experiments that combine a femtosecond optical laser with a ...

Measurement of Ultrafast Vibrational Coherences in Polyatomic Radical Cations with Strong-Field Adiabatic Ionization

We present a pump-probe method for preparing vibrational coherences in polyatomic radical cations and probing their ultrafast dynamics. By shifting the wavelength of the strong-field ionizing pump pulse from the commonly used 800 nm into the near-infrared (1200-1600 nm), the contribution of adiabatic electron tunneling to the ionization process increases relative to multiphoton absorption. Adiabatic ionization results in predominant population of the ground electronic state of the ion upon electron removal, which effectively prepares a coherent vibrational state (&#34;wave packet&#34;) amenable to subsequent excitation. In our experiments, the coherent vibrational dynamics are probed with a weak-field 800 nm pulse and the time-dependent yields of dissociation products measured in a time-of-flight mass spectrometer. We present the measurements on the molecule dimethyl methylphosphonate (DMMP) to illustrate how using 1500 nm pulses for excitation enhances the amplitude of coherent oscillations in ion yields by a factor of 10 as compared to 800 nm pulses. This protocol may be implemented in existing pump-probe setups through the incorporation of an optical parametric amplifier (OPA) for wavelength conversion.

We present a protocol for probing ultrafast vibrational coherences in polyatomic radical cations that result in molecular dissociation.

מדידה של מרביים הרטט Coherences ב Polyatomic רדיקלית קטיונים עם יינון אנווריאנטים חזק-שדה

We present a pump-probe method for preparing vibrational coherences in polyatomic radical cations and probing their ultrafast dynamics. By shifting the ...

Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments

Described is an experimental procedure that enables high-power laser irradiation of microfabricated targets. Targets are brought to the laser focus by a closed feedback loop that operates between the target manipulator and a ranging sensor. The target fabrication process is explained in detail. Representative results of MeV-level proton beams generated by irradiation of 600 nm thick gold foils at a rate of 0.2 Hz are given. The method is compared with other replenishable target systems and the prospects of increasing the shot rates to above 10 Hz are discussed.

A protocol is presented for automated irradiation of thin gold foils with high intensity laser pulses. The protocol includes a step-by-step description of the micromachining target fabrication process and a detailed guide for how targets are brought to the laser&#39;s focus at a rate of 0.2 Hz.

אספקה אוטומטית של מטרות מיקרו-פבריקט לניסויים אינטנסיביים בהקרן לייזר

Described is an experimental procedure that enables high-power laser irradiation of microfabricated targets. Targets are brought to the laser focus by a ...