Автоматизированная доставка микрофабрикатов для интенсивных экспериментов лазерного облучения

Резюме

Представлен протокол для автоматического облучения тонкой золотой фольги с высокоинтенсивными лазерными импульсами. Протокол включает в себя пошаговое описание процесса изготовления микромачины цели и подробное руководство о том, как цели доведены до фокуса лазера со скоростью 0,2 Гц.

Аннотация

Описана экспериментальная процедура, которая позволяет использовать высокопрог мощности лазерного облучения микрофабрикатов. Цели довекаются до лазерного фокуса с помощью замкнутой петли обратной связи, которая работает между манипулятором цели и датчиком диапазона. Процесс изготовления цели подробно описан. Даны репрезентативные результаты протонных лучей уровня MeV, генерируемых облучением золотой фольги толщиной 600 нм со скоростью 0,2 Гц. Метод сравнивается с другими пополняемыми целевыми системами и обсуждаются перспективы увеличения частоты выстрела выше 10 Гц.

Введение

Высокоинтенсивное лазерное облучение твердых целей генерирует несколько форм излучения. Одним из них является излучение энергетических ионов с энергиями на уровне Мега электрон-вольт (MeV)¹. Компактный источник ионов MeV имеет потенциал для многих применений, таких как протонное быстрое^{зажигание 2,}протонная^{радиография 3,}ионная^{лучевая терапия 4}и нейтронная^{генерация 5.}

Основной проблемой в том, чтобы лазерно-ионные ускорения практичным является способность позиционировать микрометровые цели точно в центре внимания лазера с высокой скоростью. Для ответа на эту задачу было разработано несколько целевых технологий доставки. Наиболее распространенными являются целевые системы, основанные на микрометровых толстых лентах. Эти цели просты в пополнении и могут быть легко расположены в центре внимания лазера. Лента цель была сделана с помощью VHS⁶,^{медь 7}, Mylar, и Kapton⁸ ленты. Система ленточных приводов обычно состоит из двух моторизованных катушек для обмотки и раскручивания и двух вертикальных штырей, расположенных между ними, чтобы держать ленту в^{положении 9.} Точность позиционирования поверхности ленты, как правило, меньше, чем диапазон Рейли фокусировки луча. Другим типом пополняемой лазерной мишени являются жидкие^{листы 10.} Эти цели быстро доставляются в регион взаимодействия и вводят очень небольшое количество мусора. Эта система включает в себя шприц-насос высокого давления, постоянно снабжаемый жидкостью из резервуара. Недавно были созданы новые криогенные^{водородные струи 11} в качестве средства доставки сверхтонких, низкоохумных, пополняемых целей.

Основным недостатком всех этих пополняемых целевых систем является ограниченный выбор целевых материалов и геометрий, которые продиктованы механическими требованиями, такими как прочность, вязкость и температура плавления.

Здесь описана система, способная довести микромашинные цели до фокуса высокоинтенсивного лазера со скоростью 0,2 Гц. Micromachining предлагает широкий выбор целевых материалов в универсальной геометрии¹². Целевое позиционирование выполняется замкнутой обратной связью между коммерческим датчиком смещения и моторизованным манипулятором.

Система доставки цели была протестирована с использованием высокой контрастности, 20 TW лазерной системы, которая обеспечивает 25 fs-длинных лазерных импульсов с 500 мДж на цель. Обзор архитектуры лазерной системы дается в Порат^{и др. 13}, и техническое описание целевой системы дается в Гершуни и др.¹⁴. В настоящем документе представлен подробный метод изготовления и использования этого типа системы и показаны репрезентативные результаты лазерно-ионных ускорений от сверхтонких целей золотой фольги.

Ионный спектрометр Thomson Parabola (TPIS)¹⁵,^{16, показанный} на рисунке 1, был использован для записи энергетических спектров испускаемых ионов. В TPIS ускоренные ионы проходят через параллельные электрические и магнитные поля, которые поставить их на параболические траектории в фокусной плоскости. Параболическая кривизна зависит от соотношения заряда иона к массе, а расположение по траектории устанавливается энергией иона.

Пластина изображения BAS-TR (IP)^17, расположенная на фокусной плоскости TPIS, записывает посягающие ионы. IP прилагается к механической подачи, чтобы позволить перевод на новую область перед каждым выстрелом.

протокол

1. Целевое изготовление

ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 2 и рисунок 3 иллюстрируют процесс изготовления автономных золотых фольг.

1. Задняя сторона
   1. Используйте кремниевую пластину толщиной 250 мкм, диаметром 100 мм, кремниевую пластину высокого напряжения в кристаллическом образовании, покрытом с обеих сторон кремниевым нитридом.
   2. Очистите с помощью ацетона с последующим изопропанолом и высушите азотом.  Затем закрутить слой HMDS, чтобы сформировать клей слой после шагов, изложенных в таблице 1.
   3. Спин-пальто с ак1518 фоторезистский слой следующие шаги, изложенные в таблице 2.
   4. Выпекать при температуре 100 градусов по Цельсию в течение 1 мин, а затем дайте ему остыть.
   5. Фотолитограф 1000 мкм х 1000 мкм квадратных отверстий под вакуумом, подвергая в 1 цикл от 4 до 7 секунд до 400 нм УФ-лампы. Вафля подвергается общей флюенс 40 J/cm². Используйте разработчика A-726K, чтобы разоблачить нитрид кремния и ванну с обезвоженной водой, чтобы остановить этот процесс.
   6. Используйте реактивный ион Etcher (RIE), чтобы удалить нитрид кремния в расположении квадратов.
   7. Используйте N-метил-2-пирролидон (NMP) ванна в течение 20 минут, чтобы удалить остаточный сопротивление и фоторезистас, производя копию маски на кремниевом слое нитрида. Вымойте под пресной водой и высушите азотом.
   8. Погрузи вафельку в 30%, 90 градусов по Цельсию, раствор гидроксида калия, чтобы вытравить кремний через квадратные отверстия. Раковина пластины в течение 40 минут на каждые 50 мкм кремния, который должен быть травления. Потому что etch скорость в lt;100'gt; плоскость гораздо выше, чем в других, гидроксид калия достигает нижнего слоя нитрида кремния через кремниевую массу перед травлением какой-либо значительной глубины в маске нитрида кремния.
2. Передняя сторона
   1. Для передней стороны повторите шаги 1.1.1-1.1.6 с маской в форме трех концентрических колец.
   2. Используйте RIE, чтобы удалить нитрид кремния, где расположены кольца, а затем NMP ванну, чтобы удалить сопротивление и фоторезистервные остатки.
   3. Наконец, чтобы roughen кремниевых колец, раковина в азотной кислоты и в растворе 0,02 М нитрата серебра и 4 М фтора водорода.
   4. На травленной стороне пластины, используйте физический пар осаждения машины (PVD)¹⁸ распылять слой из нескольких сотен нанометров золота на вершине 10 нм тонкая пленка клея титана, никеля или хрома. Распыленный золотой слой станет свободно стоящей мембранной мишенью.

2. Выравнивание

ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 4 показана установка целевого облучения.

1. Принесите первую произвольно выбранную цель в поле зрения под 100-х микроскопом увеличения.
2. Наймите датчик триангуляции (например, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)¹⁹ к грубому кольцу, близкому к цели, и замитмите его показания смещения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Используемая модель датчиков не предназначена для высоко вакуумных приложений. Различные модели, такие как MTI-2100 от одного и того же поставщика, совместимы с приложениями с низким уровнем вынефтегаза.
3. Оставляя микроскоп на месте, перемести пластину на известное расстояние, чтобы расчищать путь луча.
4. Используя два складных зеркала и внеосевое параболическое зеркало (OAP), выравнивайте луч с низкой мощностью в поле зрения микроскопа.
5. Отрегулируйте эти три зеркала, чтобы исправить астигматизмы в луче. Результатом должно быть почти ограниченное дифракция координационного центра.
6. Заблокив лазерный луч и вернуть цель в фокус микроскопа. Проверить свое положение с помощью микроскопа и показания датчика диапазона.
7. Переместите микроскоп в положение, в котором он будет храниться в безопасности от лазерного света и мусора.

3. Последовательность облучения и автоматическое целевое позиционирование

1. Внедрение обратной связи замкнутого цикла между манипулятором фокусной оси цели и считывом датчиком смещения с помощью программного обеспечения. Используйте записанное значение из шага протокола 2.2 в качестве точки набора. Основная последовательность управления PID^20, подготовленная с Помощью LabView, показана на рисунке 5.
2. После того, как позиционирование замкнутого цикла достигло желаемого расстояния толерантности от установленной точки, облучить цель одним высокой мощности лазерного импульса.
3. Перевейте IP с помощью механического канала в новое положение.
4. Повторите последовательность облучения со следующей целью, доведенной до фокуса программным обеспечением.

Результаты

Эта целевая система доставки была использована для ускорения ионов с задней стороны 600 нм толщиной золотой фольги. При облуче с нормализованной лазерной_{интенсивностью 0} и 5,6, эти ионы были ускорены целевой нормальной оболочки ускорения (TNSA)^{механизм 21}. В TNSA свет низкой ...

Обсуждение

С некоторыми вариациями, целевой процесс изготовления, описанный в этом протоколе, является общим (например, Заффино и^{др. 23}). Здесь одним из уникальных шагов, который имеет решающее значение для работы автоматического позиционирования является добавление нанометрового ма?...

Материалы

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