Entrega automatizada de alvos microfabricados para experimentos intensos de irradiação a laser

Resumo

Um protocolo é apresentado para irradiação automatizada de folhas de ouro finas com pulsos laser de alta intensidade. O protocolo inclui uma descrição passo a passo do processo de fabricação de alvos de micromaquinamento e um guia detalhado de como os alvos são trazidos para o foco do laser a uma taxa de 0,2 Hz.

Resumo

Descrito é um procedimento experimental que permite irradiação a laser de alta potência de alvos microfabricados. Os alvos são trazidos para o foco do laser por um loop de feedback fechado que opera entre o manipulador de alvos e um sensor de alcance. O processo de fabricação alvo é explicado detalhadamente. Resultados representativos de feixes de prótons de nível MeV gerados pela irradiação de folhas de ouro de 600 nm de espessura a uma taxa de 0,2 Hz são dadas. O método é comparado com outros sistemas de destino reabastecidos e são discutidas as perspectivas de aumentar as taxas de tiro para acima de 10 Hz.

Introdução

Irradiação a laser de alta intensidade de alvos sólidos gera múltiplas formas de radiação. Uma delas é a emissão de íons energéticos com energias no Mega electron-volt (MeV) nível¹. Uma fonte compacta de íons MeV tem potencial para muitas aplicações, como proton fast-ignition^2,radiografia de^{prótons 3,}radioterapia de íon⁴e geração de nêutrons⁵.

Um grande desafio em tornar a aceleração de íons a laser prática é a capacidade de posicionar alvos de escala de micrômetros com precisão dentro do foco do laser a uma taxa alta. Poucas tecnologias de entrega de alvos foram desenvolvidas para responder a esse desafio. Os mais comuns são sistemas de destino baseados em fitas grossas em escala de micrômetros. Estes alvos são simples de repor e podem ser facilmente posicionados dentro do foco do laser. O alvo da fita foi feito usando fitas VHS⁶, cobre^7,Mylar e Kapton^8. O sistema de acionamento de fita normalmente consiste em dois carretéis motorizados para enrolar e desenrolar e dois pinos verticais colocados entre eles para manter a fita na posição⁹. A precisão no posicionamento da superfície da fita é tipicamente menor do que a gama Rayleigh do feixe de foco. Outro tipo de alvo laser reabastecido são as folhas líquidas¹⁰. Esses alvos são entregues rapidamente à região de interação e introduzem uma quantidade muito baixa de detritos. Este sistema compreende uma bomba de seringa de alta pressão continuamente fornecida com líquido de um reservatório. Recentemente, novos jatos de hidrogênio criogênicos¹¹ foram estabelecidos como meios para entregar ultrathin, baixos detritos, alvos reabastecidos.

A principal desvantagem de todos esses sistemas de destino reabastecidos é a escolha limitada de materiais-alvo e geometrias, que são ditadas por requisitos mecânicos como força, viscosidade e temperatura de fusão.

Aqui, é descrito um sistema capaz de trazer alvos micromaquinados ao foco de um laser de alta intensidade a uma taxa de 0,2 Hz. A micromaquinção oferece uma ampla variedade de materiais-alvo em geometrias versáteis¹². O posicionamento de destino é realizado por um feedback em loop fechado entre um sensor de deslocamento comercial e um manipulador motorizado.

O sistema de entrega de alvos foi testado usando um sistema laser de alto contraste, de 20 TW, que fornece pulsos laser de 25 fs-longos com 500 mJ no alvo. Uma revisão da arquitetura do sistema laser é dada em Porat et al.¹³, e uma descrição técnica do sistema de destino é dada em Gershuni et al.¹⁴. Este artigo apresenta um método detalhado para fazer e usar este tipo de sistema e mostra resultados representativos de aceleração de íons a laser a partir de alvos de folha de ouro ultrathin.

O espectrômetro de íons Thomson Parabola (TPIS)^15,16 mostrado na Figura 1 foi usado para registrar os espectros de energia dos íons emitidos. Em um TPIS, íons acelerados passam por campos elétricos e magnéticos paralelos, o que os coloca em trajetórias parabólicas no plano focal. A curvatura parabólica depende da relação carga-massa do íon, e a localização ao longo da trajetória é definida pela energia do íon.

Uma placa de imagem BAS-TR (IP)¹⁷ posicionada no plano focal do TPIS registra os íons impingidos. O IP é anexado a um feed-alimentação mecânico para permitir a tradução para uma área nova antes de cada tiro.

Protocolo

1. Fabricação de alvo

NOTA: As figuras 2 e a figura 3 ilustram o processo de fabricação de folhas de ouro autônomas.

1. Lado de trás
   1. Use um wafer de silício de 250 μm de espessura, 100 mm de diâmetro e alto estresse em uma formação de cristal <100> revestida em ambos os lados com nitreto de silício.
   2. Limpe o wafer usando acetona seguido de isopropanol e seque com nitrogênio.  Em seguida, gire uma camada de HMDS para formar uma camada adesiva seguindo os passos descritos na Tabela 1.
   3. Gire o wafer com uma camada fotoresista AZ1518 seguindo os passos descritos na Tabela 2.
   4. Asse o wafer a 100 °C por 1 min, depois deixe esfriar.
   5. Fotolitógrafo 1.000 μm x 1.000 μm aberturas quadradas sob vácuo, expondo o wafer em 1 ciclo de 4 a 7 segundos para uma lâmpada UV de 400 nm. O wafer é exposto a uma fluência global de 40 J/cm². Use um desenvolvedor AZ726K para expor o nitreto de silício e um banho de água desidratada para interromper o processo.
   6. Use Ion Etcher (RIE) reativa para remover o nitreto de silício na localização dos quadrados.
   7. Use um banho N-metil-2-pyrrolidone (NMP) por 20 minutos para remover a resistência residual e fotoresist, produzindo uma réplica da máscara na camada de nitreto de silício. Lave o wafer sob água doce e seque com nitrogênio.
   8. Afunde o wafer em uma solução de hidróxido de potássio de 30%, 90 °C, para gravar o silício através das aberturas quadradas. Afunde o wafer por 40 minutos para cada 50 μm de silício que precisa ser gravado. Como a taxa de etch no plano <100> é muito maior do que em outros, o hidróxido de potássio atinge a camada inferior de nitreto de silício através do volume de silício antes de gravar qualquer profundidade significativa na máscara de nitreto de silício.
2. Lado frontal
   1. Para o lado frontal, repita as etapas 1.1.1-1.1.6 com uma máscara moldada como três anéis concêntricos.
   2. Use o RIE para remover o nitreto de silício onde os anéis estão localizados, seguido de um banho NMP para remover as sobras de resistência e fotoresist.
   3. Finalmente, para endurecer os anéis de silício, afunde o wafer em ácido nítrico e em uma solução de 0,02 M de nitrato de prata e flúor de hidrogênio de 4 M.
   4. No lado gravado do wafer, use uma máquina de deposição de vapor físico (PVD)¹⁸ para sputter uma camada de algumas centenas de nanômetros de ouro em cima de uma película fina de ~10 nm de titânio adesivo, níquel ou cromo. A camada de ouro sputtered se tornará o alvo de membrana independente.

2. Alinhamento

NOTA: A Figura 4 mostra a configuração de irradiação de destino.

1. Traga um primeiro alvo arbitrariamente escolhido em vista sob um microscópio de ampliação de 100x.
2. Aponte um sensor de triangulação (por exemplo, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)¹⁹ para o anel acidentado mais próximo do alvo, e regissu sua leitura de deslocamento.
   NOTA: O modelo de sensor de alcance utilizado não se destina a aplicações de alto vácuo. Modelos diferentes, como o MTI-2100 do mesmo fornecedor, são compatíveis com aplicativos de baixagasagem.
3. Ao deixar o microscópio no lugar, mova o wafer para longe a uma distância conhecida para limpar o caminho do feixe.
4. Usando dois espelhos dobráveis e o espelho parabólico fora do eixo (OAP), alinhe o feixe em baixa potência no campo de visão do microscópio.
5. Ajuste esses três espelhos para corrigir astigmatismos na viga. O resultado deve ser um ponto focal quase difracionável.
6. Bloqueie o raio laser e traga o alvo de volta ao foco do microscópio. Valide sua posição usando o microscópio e a leitura do sensor de alcance.
7. Mova o microscópio para uma posição na qual ele será mantido seguro contra luz laser e detritos.

3. Sequência de irradiação e posicionamento de alvo automatizado

1. Implemente um feedback em loop fechado entre o manipulador do eixo focal do alvo e a leitura do sensor de deslocamento usando software. Use o valor registrado da etapa 2.2 do protocolo como ponto de setpoint. A sequência de controle principal do PID^20, preparada com o LabView, é mostrada na Figura 5.
2. Uma vez que o posicionamento em loop fechado tenha atingido uma distância de tolerância desejada do setpoint, irradie o alvo com um único pulso laser de alta potência.
3. Traduza o IP usando o feed mecânico através de uma nova posição.
4. Repita a sequência de irradiação com o próximo alvo trazido para o foco pelo software.

Resultados

Este sistema de entrega de alvos foi empregado para acelerar íons do lado de trás de 600 nm de folhas de ouro de espessura. Quando irradiados com uma intensidade laser normalizada de₀ = 5,6, esses íons foram acelerados pelo mecanismo de aceleração da baia normal alvo (TNSA)²¹. No TNSA, a luz de menor intensidade que precedeu o pulso laser principal ionizou a superfície frontal da folha de alvo. A força ponderomotiva exercida pelo pulso laser principal levou elétrons quentes atra...

Discussão

Com algumas variações, o processo de fabricação de destino descrito neste protocolo é comum (por exemplo, Zaffino et al.²³). Aqui, um passo único que é fundamental para o funcionamento do posicionamento automático é a adição de rugosidade em escala de nanômetros em áreas em forma de anel na parte de trás do wafer (passo 1.2.3). O objetivo desta etapa é aumentar a dispersão difusa de incidentes leves no wafer nessas áreas. O sensor de alcance brilha um raio laser de baixa potência...

Materiais

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