Investigação da Evolução Plasma Precoce Induzida por Pulsos ultracurtos de laser

Resumo

Um método experimental para examinar a evolução de plasma induzida por precoce ultracurtos impulsos laser é descrito. Usando este método, imagens de alta qualidade de plasma no início são obtidas com elevada resolução temporal e espacial. Um modelo integrado romance atomística é usado para simular e explicar os mecanismos de plasma inicial.

Resumo

Plasmáticos iniciais é gerada devido à irradiação de alta intensidade do laser de alvo e da ionização de material subsequente alvo. Sua dinâmica desempenha um papel significativo na laser de material de interacção, especialmente no ambiente de ar ^1-11.

Evolução do plasma precoce tem sido capturado através de bomba de sonda-shadowgraphy ^1-3 e interferometria ^1,4-7. No entanto, as gamas de parâmetros estudados quadros de tempo e aplicado a laser são limitadas. Por exemplo, os exames directos de locais da frente de plasma e densidades número de electrões dentro de um tempo de atraso de 100 picossegundo (MA) com respeito ao pulso de laser de pico são ainda muito poucos, especialmente para o pulso ultracurtos com uma duração de cerca de 100 femtosegundo (FS) e uma densidade de potência baixo em torno de 10 ¹⁴ W / cm ^2. No início plasma gerado nestas condições só foi capturado recentemente, com alta resolução temporal e espacial ^{de 12.} A estratégia de configuração detalhada eprocedimentos do presente medição de alta precisão será ilustrado neste documento. A razão de ser da medição é shadowgraphy bomba sonda óptica: uma ultracurtos de laser de impulsos é dividido a um pulso de bomba e um pulso sonda, enquanto o tempo de atraso entre eles pode ser ajustado mudando os seus comprimentos caminho do feixe. O pulso bomba ablates o alvo e gera o plasma inicial, sendo o pulso sonda propaga através da região de plasma e detecta a não uniformidade da densidade número de electrões. Além disso, as animações são gerados utilizando os resultados calculados a partir do modelo de simulação de Ref. ¹² para ilustrar a formação de plasma e evolução com uma resolução muito elevada (0,04 ~ 1 ps).

Tanto o método experimental e do método de simulação pode ser aplicada a uma vasta gama de estruturas de tempo e os parâmetros do laser. Estes métodos podem ser usados ​​para examinar o plasma precoce gerado não só a partir de metais, mas também a partir de semicondutores e isoladores.

Protocolo

1. Configuração do sistema óptico (Fig. 1)

1. Configurar uma placa de meia onda e um polarizador após a saída do laser para ajustar a energia de pulso de laser.
2. Configurar um divisor de feixe após o polarizador para dividir o pulso de laser de dois pulsos: pulso bomba e pulso sonda.
3. Use quatro espelhos que refletem e um palco manual de translação para a construção de um dispositivo de retardo óptico para o pulso da bomba.
4. Use outros espelhos quatro reflectoras para guiar o pulso de bomba para alcançar a superfície do alvo verticalmente.
5. Configurar um gerador de segunda harmónica (SHG) para transformar o laser de comprimento de onda de impulso a partir de 800 nm a 400 nm.
6. Usar um separador harmónica para transmitir o impulso de 800-nm e reflectem o pulso 400 nm.
7. Configurar um redutor de feixe e um par de lentes focalmente para ajustar o tamanho ea convergência do pulso sonda.
8. Configurar outro dispositivo atraso óptico, como mencionado no passo 1.3, para o pulso de sonda.
9. Use um anel Iris para ajustar a área dosonda de pulso e certifique-se o pulso de sonda passar a superfície do alvo na horizontal e se cruzam com a pulsação da bomba.
10. Configurar duas lentes objectivas e vários filtros para gerar a imagem da região de plasma a ser recebido pelo intensificada dispositivo de carga acoplada (ICCD) da câmara.
11. Ligue o computador, o laser, a câmera ICCD e seu controlador usando cabos BNC ou cabos USB.
12. Ajustar o tempo de atraso do controlador da câmara até a câmara capta uma imagem do pulso sonda. Assim, o pulso de sonda ea câmera estão sincronizados.

2. Bomba sonda-Sincronização

1. Coloque um divisor de feixe na intersecção do pulso da bomba e do pulso da sonda, e criar dois fotodíodos para receber estes dois pulsos. Estes dois fotodíodos deve ter uma mesma distância a partir do divisor de feixe.
2. Use um osciloscópio para receber os sinais destes dois fotodíodos, e mover-se a fase de atraso no caminho do feixe bomba de pulsação até o próarquivos do pulso da bomba e do pulso sonda sobrepõem uns aos outros na tela osciloscópio. Uma precisão de 20 ps é conseguida devido à resolução temporal do osciloscópio.
3. Remover o divisor de feixe e os dois fotodíodos conforme mencionado na etapa 2,1.
4. Ajuste o estágio de atraso no caminho feixe de bombeio de pulso até a região de ruptura ar só poderia ser observado na tela ICCD. O momento em que a formação de repartição de ar pode ser detectado em vez de um fundo uniforme é determinada como zero tempo de atraso.

3. Amostra e Preparação Estágio

1. Montou um laboratório-jack e dois manuais fases lineares, a fim de mover a amostra com três graus de liberdade.
2. Utilizar um indicador de marcação e calços de alta precisão para alcançar uma elevada planeza dos estágios. A diferença de altura deve estar dentro de 1 mM por uma distância de 25,4 mm.
3. Cortar uma peça quadrada (30 mm x 30 mm) a partir de uma folha de Cu com uma espessura de 0,8 mm utilizando um moagemmáquina.
4. Polir um lado estreito (30 mm x 0,8 mm) do pedaço de Cu até que a rugosidade da superfície é inferior a 0,5 micron.
5. Fixe o pedaço Cu no palco manual do topo com o rosto polido estreita para cima.
6. Mover o alvo por uma fase manual como mencionado na Etapa 3.1), enquanto controlar a sua posição através da câmara ICCD tal que qualquer inclinação pode ser ajustada através da inserção de calços de alta precisão abaixo do alvo.
7. Repita o passo 3,6 com a fase de outro manual.
8. Perfurar uma dúzia de furos no alvo enquanto variar a posição da lente focal por um estágio manual de alta precisão terceiro. A localização do ponto focal corresponde à posição da lente de contacto onde o menor orifício é perfurado.

4. Ablação e Mensuração

1. Mover a lente focal até uma distância de cerca de 50 um de distância do ponto focal.
2. Mova o estágio atraso no caminho do feixe de pulso sonda com um intervalo de 0,3 mm para capturar a imagem todos os ps 2 até 10 ps, ​​oucom um intervalo de 3 mm para captar a imagem cada ps 20 até 480 ps.
3. Repita o passo 4,2 por várias vezes para repetibilidade e precisão.
4. Mova a lente focal para baixo a uma distância de cerca de 50 um de distância do ponto focal, e repita o passo 4.3.

5. Os resultados representativos

As imagens radiografia medidos são mostrados na fig. 2 e fig. 3, para o ponto focal ligeiramente acima e abaixo da superfície do alvo, respectivamente. As posições de expansão longitudinal e radial são representados na figura. 4 e Fig.. 5. As expansões longitudinais destes dois casos no primeiro 100 ps são significativamente diferentes, no entanto, as suas expansões longitudinais na seguinte 400 ps e suas expansões radiais são semelhantes. Para o primeiro caso, o plasma dentro precoce 100 Ps tem uma estrutura de expansão unidimensional constituídas por várias camadas. Para o segundo caso, o pl precoceAsma tem uma estrutura de expansão bidimensional que não muda muito dentro de 100 ps.

O modelo de simulação ¹² é utilizado para investigar o mecanismo da evolução de plasma inicial. Tempo zero é definido como o momento em que o pulso de laser pico atinge a superfície do alvo. Os simulados processos evolutivos iniciais de plasma concorda bem com os resultados medidos para ambos estes dois casos, como mostrado na fig. 6 e Fig. 7, respectivamente. A formação do plasma precoce dentro de 1 ps também é previsto para o primeiro caso utilizando o modelo de simulação e mostrado na fig. 8. O plasma precoce é encontrado para ter uma região de ruptura de ar e uma região de plasma de Cu. A repartição ar é causada por multi-fotão de ionização e, em seguida, seguido por ionização avalanche. Para o segundo caso, no entanto, o ponto focal está abaixo da superfície do alvo e não região de ruptura de ar separado é formado. Em vez disso, a ionização do ar ocorre perto do pla Cusma frente e é causada pelo impacto de ionização devido aos elétrons livres ejetados do alvo Cu.

Figura 1. Esquemática da medição radiografia bomba sonda.

Figura 2. Cu expansão plasma em tempos de atraso sucessivas com o ponto focal ligeiramente acima da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 ¹⁴ W / cm ^2; alvo: Cu.

Figura 3. Cu expansão plasma em tempos de atraso sucessivas com o ponto focal ligeiramente abaixo da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 ¹⁴ W / cm ^2; alvo: Cu.

Figura 4. Plasma longitudinal e as posições de expansão radial em tempos de atraso sucessivas com o ponto focal ligeiramente acima da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 ¹⁴ W / cm ^2; alvo: Cu.

Figura 5. Plasma longitudinal e as posições expansão radial em tempos de atraso sucessivas com o ponto focal ligeiramente abaixo da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 ¹⁴ W / cm ^2; alvo: Cu.

Figura 6. Animação de expansão do plasma, medido e calculado dentro de um tempo de atraso de 70 ps com o ponto focal ligeiramente acima da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 ¹⁴ W / cm ^2; alvo: Cu. Clique aqui para ver a animação .

Figura 7. Animação de expansão do plasma, medido e calculado dentro de um tempo de atraso de 70 ps com o ponto focal ligeiramente abaixo da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 ¹⁴ W / cm ^2; alvo: Cu. Clique aqui para ver a animação .

Figura 8. Animação de expansão do plasma, medido e calculado dentro de um tempo de atraso de 1 ps com o ponto focal ligeiramente acima da superfície. Comprimento de onda: 800 nm; duração de pulso: 100 fs; densidade de potência: 4,2 × 10 ¹⁴ W / cm ^2; alvo:. Cu Clique aqui para ver a animação </ A>.

Discussão

Os métodos de medição e de simulação apresentados neste trabalho permitem exames mais precisos da dinâmica do plasma precoce e um melhor entendimento dos mecanismos de ionização de ar e Cu. Estruturas de plasma de alta qualidade são capturados com uma resolução temporal de 1 ps e uma resolução espacial de 1 m. Esta medida tem uma alta repetibilidade também. O procedimento é crítica para alinhar o feixe muito bem e preparar uma superfície alvo com um achatamento elevada, bem como uma rugosidade baixa.

Esta abordagem pode ser aplicada a outros materiais alvo e os parâmetros do laser diferentes. A única limitação do método radiografia bomba sonda é uma muito baixa variação de densidade de electrões número.

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nome do equipamento	Companhia	Número de catálogo
Laser	Spectra Physics-	SPTF-100F-1K-1P
Câmera ICCD	Princeton Instruments	7467-0028
Osciloscópio	Rigol	DS1302CA
Photodiode	Newport	818-BB30
Fase linear	Newport	433
Disque indicador	Mitutoyo	ID-C112E