Name: automated delivery of microfabricated targets for intense laser irradiation experiments
Uploaded: 2021-01-28T13:00:00
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Diese Arbeit wurde von der Israel Science Foundation, Stipendium Nr. 1135/15, und vom Zuckerman STEM Leadership Program, Israel, unterstützt, die dankbar anerkannt werden. Wir würdigen auch die Unterstützung der Pazy Foundation, des Israel-Stipendiums #27707241 und des NSF-BSF-Zuschusses Nr. 01025495. Die Autoren möchten das Tel Aviv University Center for Nanoscience and Nanotechnolog

1. Zielfertigung
ANMERKUNG: Abbildung 2 und Abbildung 3 veranschaulichen den Herstellungsprozess freistehender Goldfolien.
<ol><li>Rückseite<ol>
<li>Verwenden Sie einen 250 mm dicken, 100 mm großen, hochbeanspruchten Siliziumwafer in einer <100> Kristallbildung, der beidseitig mit Siliziumnitrid beschichtet ist.</li>
		<li>Reinigen Sie den Wafer mit Aceton gefolgt von Isopropanol und trocknen Sie ihn mit Stickstoff.  Dann drehen ...

<ol>
	<li>Snavely, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intense+High-Energy+Proton+Beams+from+Petawatt-Laser+Irradiation+of+Solids.">Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids.</a> Physical Review Letters. 85, 4945 (2000).</li><li>Tosaki, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+laser-driven+ion+energies+for+fusion+fast-ignition+research.">Evaluation of laser-driven ion energies for fusion fast-ignition research.</a> Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2017 (10), 103 (2017).</li><li>Borghesi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Proton+imaging:+a+diagnostic+for+inertial+confinement+fusion/fast+ignitor+studies+Related+content+Inertial+confinement+fusion+and+fast+ignitor+studies.">Proton imaging: a diagnostic for inertial confinement fusion/fast ignitor studies Related content Inertial confinement fusion and fast ignitor studies.</a> Plasma Physics and Controlled Fusion. 43, 12 (2001).</li><li>Malka, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Practicability+of+proton+therapy+using+compact+laser+systems.">Practicability of proton therapy using compact laser systems.</a> Medical Physics. 31 (6), 1587-1592 (2004).</li><li>Roth, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-Driven+Neutron+Source+Based+on+the+Relativistic+Transparency+of+Solids.">Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids.</a> Physical Review Letters. 110, 044802 (2013).</li><li>Noaman-Ul-Haq, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistical+analysis+of+laser+driven+protons+using+a+high-repetition-rate+tape+drive+target+system.">Statistical analysis of laser driven protons using a high-repetition-rate tape drive target system.</a> Physical Review Accelerators and Beams. 20 (4), 41301 (2017).</li><li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protons+and+electrons+generated+from+a+5-&#956;m+thick+copper+tape+target+irradiated+by+s-,+circularly-,+and+p-polarized+55-fs+laser+pulses.">Protons and electrons generated from a 5-&#956;m thick copper tape target irradiated by s-, circularly-, and p-polarized 55-fs laser pulses.</a> Physics Letters, Section A: General, Atomic and Solid State Physics. 369 (5-6), 483-487 (2007).</li><li>Shaw, B. 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P. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+modification+of+laser-accelerated+proton+beams+by+self-generated+magnetic+fields+Related+content+New+Journal+of+Physics+Spectral+modification+of+laser-accelerated+proton+beams+by+self-generated+magnetic+fields.">Spectral modification of laser-accelerated proton beams by self-generated magnetic fields Related content New Journal of Physics Spectral modification of laser-accelerated proton beams by self-generated magnetic fields.</a> New Journal of Physics. 11 (15), 83018 (2009).</li><li>Treffert, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+implementation+of+a+Thomson+parabola+for+fluence+dependent+energy-loss+measurements+at+the+Neutralized+Drift+Compression+experiment.">Design and implementation of a Thomson parabola for fluence dependent energy-loss measurements at the Neutralized Drift Compression experiment.</a> Review of Scientific Instruments. 89 (10), 103302 (2018).</li><li>Pappalardo, A., Cosentino, L., Finocchiaro, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+imaging+technique+for+detection+and+absolute+calibration+of+scintillation+light.">An imaging technique for detection and absolute calibration of scintillation light.</a> Review of Scientific Instruments. 81 (3), 33308 (2010).</li></ol>

Bei einigen Variationen ist der in diesem Protokoll beschriebene Zielfertigungsprozess üblich (z. B. Zaffino et al.23). Ein einzigartiger Schritt für den Betrieb der automatischen Positionierung ist hier die Zugabe von Nanometer-Schruppen in ringförmigen Bereichen auf der Rückseite des Wafers (Schritt 1.2.3). Der Zweck dieses Schritts ist es, die diffuse Streuung des Lichteinfalls auf dem Wafer in diesen Bereichen zu erhöhen. Der Bereichsensor strahlt einen Low-Power-Laserstrahl auf den Wafer...

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61056">Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments</a>. The author list was updated.
The author list was updated from:
Yonatan Gershuni1,2, Michal Elkind1,2, Itamar Cohen1,2, Aviad Tsabary1,2, Deep Sarkar1,2, Ishay Pomerantz1,2 
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, 
2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction
to:
Yonatan Gershuni1,2, Michal Elkind1,2, Dolev Roitman1,2, Itamar Cohen1,2, Aviad Tsabary1,2, Deep Sarkar1,2, Ishay Pomerantz1,2 
1The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, 
2Tel Aviv University Center for Light-Matter Interaction

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61056">Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments</a>. The author list was updated.

Erratum: Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments

Die hochintensive Laserbestrahlung von festen Targets erzeugt mehrere Strahlungsformen. Eine davon ist die Emission energetischer Ionen mit Energien auf der Mega-Elektronen-Volt-Stufe1. Eine kompakte Quelle von MeV-Ionen hat Potenzial für viele Anwendungen, wie Protonen-Schnellzündung2, Protonen-Radiographie3, Ionen-Strahlentherapie4und Neutronen-Generation5.
Eine große Herausforderung bei der praktischen Laser-Ionenbeschleunigung ist die Fähigkeit, Mikrometer-Ziele mit hoher Geschwindigkeit präzise innerhalb des Fokus des Lasers zu positionieren. Es wurden nur wenige Zielbereitstellungstechnologien entwickelt, um diese Herausforderung zu bewältigen. Am häufigsten sind Zielsysteme, die auf dicken Bändern im Mikrometermaßstab basieren. Diese Ziele sind einfach aufzufüllen und können leicht im Fokus des Lasers positioniert werden. Bandziel wurde mit VHS6, Kupfer7, Mylar und Kapton8 Bänder gemacht. Das Bandlaufwerk besteht in der Regel aus zwei motorisierten Spulen zum Aufwickeln und Abwickeln und zwei vertikalen Stiften, die zwischen ihnen platziert werden, um das Band in Position9zu halten. Die Genauigkeit bei der Positionierung der Bandoberfläche ist in der Regel geringer als der Rayleigh-Bereich des Fokussiebestrahls. Eine andere Art von nachfüllbarem Laserziel sind flüssige Bleche10. Diese Ziele werden schnell in den Interaktionsbereich geliefert und führen zu einer sehr geringen Menge an Schutt. Dieses System besteht aus einer Hochdruckspritzenpumpe, die kontinuierlich mit Flüssigkeit aus einem Reservoir versorgt wird. Kürzlich wurden neuartige kryogene Wasserstoffdüsen11 als Mittel zur Lieferung ultradünner, schmutzarmer, nachfüllbarer Ziele etabliert.
Der Hauptnachteil all dieser nachfüllbaren Zielsysteme ist die begrenzte Auswahl an Zielmaterialien und Geometrien, die durch mechanische Anforderungen wie Festigkeit, Viskosität und Schmelztemperatur diktiert werden.
Hier wird ein System beschrieben, das mikromaschinengebundene Targets mit einer Geschwindigkeit von 0,2 Hz in den Fokus eines Hochintensitätslasers bringen kann. Die Mikrobearbeitung bietet eine große Auswahl an Zielmaterialien in vielseitigen Geometrien12. Die Zielpositionierung erfolgt durch eine geschlossene Rückkopplung zwischen einem kommerziellen Verdrängungssensor und einem motorisierten Manipulator.
Das Zielabgabesystem wurde mit einem kontrastreichen 20 TW-Lasersystem getestet, das 25 fs-lange Laserpulse mit 500 mJ am Ziel liefert. Eine Übersicht über die Architektur des Lasersystems ist in Porat et al.13gegeben, und eine technische Beschreibung des Zielsystems ist in Gershuni et al.14gegeben. Dieses Papier stellt eine detaillierte Methode zur Herstellung und Verwendung dieser Art von System vor und zeigt repräsentative Ergebnisse der Laser-Ionen-Beschleunigung von ultradünnen Goldfolienzielen.
Das Thomson Parabola Ionenspektrometer (TPIS)15,16 in Abbildung 1 wurde verwendet, um die Energiespektren der emittierten Ionen aufzuzeichnen. In einem TPIS durchlaufen beschleunigte Ionen parallele elektrische und magnetische Felder, die sie auf parabolische Bahnen in der Brennebene setzen. Die parabolische Krümmung hängt vom Ladungs-Massen-Verhältnis des Ions ab, und die Position entlang der Flugbahn wird durch die Energie des Ions festgelegt.
Eine BAS-TR-Bildplatte (IP)17, die an der Brennebene des TPIS positioniert ist, zeichnet die einschneidenden Ionen auf. Die IP wird an einen mechanischen Durchlauf angehängt, um die Übersetzung in einen neuen Bereich vor jedem Schuss zu ermöglichen.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>76.2 x 127mm EFL 90&#176; Protected Gold 100&#197; Off-Axis Parabolic Mirror</td>
			<td>Edmund optics</td>
			<td>35-535</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MicroTrak 3 LTS 120-20</td>
			<td>MTI Instruments</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrafast high power dielectric mirrors for 800 nm</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

automated delivery of microfabricated targets for intense laser irradiation experiments

Beschrieben ist ein experimentelles Verfahren, das eine Hochleistungslaserbestrahlung von mikrofabrizierten Targets ermöglicht. Die Ziele werden durch eine geschlossene Rückkopplungsschleife, die zwischen dem Zielmanipulator und einem Sensor arbeitet, in den Laserfokus gebracht. Der Zielfertigungsprozess wird ausführlich erläutert. Repräsentative Ergebnisse von Protonenstrahlen auf MeV-Ebene, die durch Bestrahlung von 600 nm dicken Goldfolien mit einer Rate von 0,2 Hz erzeugt werden. Die Methode wird mit anderen nachfüllbaren Zielsystemen verglichen und die Aussichten, die Schussraten auf über 10 Hz zu erhöhen, werden diskutiert.

Dieses Zielliefersystem wurde eingesetzt, um Ionen von der Rückseite von 600 nm dicken Goldfolien zu beschleunigen. Bei Bestrahlung mit einer normalisierten Laserintensität von0 = 5,6 wurden diese Ionen durch den Ziel-Normalmantelbeschleunigungsmechanismus (TNSA)21beschleunigt. In TNSA ionisierte das Licht mit geringerer Intensität, das dem Hauptlaserpuls vorausging, die Vorderseite der Zielfolie. Die vom Hauptlaserpuls ausgeübte Gedankenkraft trieb heiße Elektronen durch die Schü...

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Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments

Für die automatisierte Bestrahlung dünner Goldfolien mit hochintensiven Laserpulsen wird ein Protokoll vorgelegt. Das Protokoll enthält eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung des Mikrobearbeitungszielfertigungsprozesses und eine detaillierte Anleitung, wie Ziele mit einer Geschwindigkeit von 0,2 Hz in den Fokus des Lasers gebracht werden.

Automatisierte Lieferung von mikrofabrizierten Targets für intensive Laserbestrahlungsexperimente

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

Intensive Laserstrahlungsexperimente von Submikrometer-Skalazielen werden derzeit mit langsamen Schussraten durchgeführt. Unser Protokoll löste diese Herausforderung, indem es diese Ziele schnell automatisiert in den Fokus des Lasers stellte. Unser Zielsystem ermöglicht die Erfassung von Daten mit einer großen Anzahl von Laseraufnahmen mit in kleinen Schritten geänderten Zielparametern sowie Anwendungen, die von einer hohen Gesamtstrahlungsdosis profitieren.Die visuelle Demonstration dieses Protokolls zeigt die Feinheiten des Waferherstellungsprozesses und die Zielausrichtung. Die Prozessführer Nirit Porecki Shamay und Nofar Livni demonstrieren den Zielfertigungsprozess. Verwenden Sie zur Herstellung der Rückseite einen 250 Mikrometer dicken 100 Millimeter großen Siliziumwafer mit hoher Spannung in einer beidseitig mit Siliziumnitrid beschichteten Kristallformation mit einer Null-Null-Kristallbildung.Den Wafer mit Aceton und Isopropanol reinigen. Dann spinbeschichten Sie den Wafer mit HMDS widersteht, um eine Klebeschicht zu bilden. Spin beschichten Sie den Wafer mit einem AZ 1518 positiven Photoresist.Backen Sie den Wafer bei 100 Grad Celsius für eine Minute. Photolithograph 1 000 mal 1.000 Mikrometer quadratische Öffnungen unter Vakuum, die den Wafer in einem Vier- bis Sieben-Sekunden-Zyklus einer 400 Nanometer UV-Lampe aussetzen, so dass der Wafer einem Gesamteinfluss von 40 Joule pro Zentimeter im Quadrat ausgesetzt ist. Verwenden Sie dann einen AZ 726 Entwickler, um das Siliziumnitrid und ein Bad mit dehydriertem Wasser freizulegen, um den Prozess zu stoppen.Verwenden Sie eine reaktive Ionenusw., um das Siliziumnitrid an der Position der Quadrate zu entfernen. Legen Sie den Wafer für 20 Minuten in ein NMP-Bad, um den Restwiderstand und den Photowiderstand zu entfernen, wodurch eine Replik der Maske auf der Siliziumnitridschicht entsteht. Dann unter frischem Wasser waschen und trocknen lassen.Den Wafer in einer Kaliumhydroxidlösung von 30%90 Grad Celsius versenken, um das Silizium durch die quadratischen Öffnungen zu ätzen. Um die Vorderseite herzustellen, wiederholen Sie das zuvor beschriebene Verfahren mit einer Maske, die als drei konzentrische Ringe geformt ist. Verwenden Sie die reaktive Ionenusw., um das Siliziumnitrid zu entfernen, wo sich die Ringe befinden, gefolgt von einem NMP-Bad, um Widerstands- und Photoresist-Reste zu entfernen.Rauen Sie die Siliziumringe, indem Sie den Wafer in Salpetersäure und in einer Lösung von 0,02 Molsilbernitrat und vier Molfluorwasserstoff versenken. Verwenden Sie auf der geätzten Seite des Wafers eine physikalische Dampfabscheidungsmaschine, um eine Schicht von ein paar hundert Nanometern Gold auf einem 10-Nanometer-Film aus Klebstoff Titan, Nickel oder Chrom zu spucken. Blockieren Sie den Strahl und bringen Sie das erste Ziel unter einem Mikroskop mit hoher Vergrößerung ins Blickfeld.Zeigen Sie einen Triangulations-Bereich-Sensor auf den aufgerauten Ring, der dem Ziel am nächsten liegt, und zeichnen Sie dessen Verschiebungsmessung auf. Lassen Sie das Mikroskop an Ort und Stelle, bewegen Sie den Wafer weg, um den Strahlweg zu räumen. Verwenden Sie die beiden Klappspiegel und den Parabolspiegel außerhalb der Achse, um den Strahl mit geringer Leistung in das Sichtfeld des Mikroskops auszurichten.Passen Sie diese drei Spiegel an, um Astigmatismen im Strahl zu korrigieren. Das Ergebnis sollte ein nahezu beugungsbegrenzter Brennpunkt sein. Blockieren Sie den Laserstrahl und bringen Sie das Ziel wieder in den Fokus des Mikroskops.Überprüfen Sie dann seine Position mit dem Mikroskop und den Messsensoren. Verwenden Sie Software, um eine closed Loop-Rückmeldung zwischen dem Fokusachsenmanipulator des Ziels und dem Lesewert des Verschiebungssensors unter Verwendung des zuvor aufgezeichneten Verschiebungswerts als Sollwert zu implementieren. Sobald die Geschlossene Schleifenpositionierung einen gewünschten Toleranzabstand vom Sollwert erreicht hat, bestrahlen Sie das Ziel mit einem einzigen Hochleistungslaserpuls.Zeichnen Sie Daten aus der Partikeldiagnose auf und wiederholen Sie den Vorgang mit dem nächsten Ziel, das von der Software in den Fokus gerückt wird. Dieses Zielabgabesystem wurde eingesetzt, um Ionen von der Rückseite von 600 Nanometer dicken Goldfolien zu beschleunigen. Hier wird eine Zeitreihe der Zielverschiebung entlang der Brennachse angezeigt.Die Werte sind relativ zum Sollwert der Brennpunktposition. Die grünen Punkte zeigen an, wann sich die Zielverschiebung innerhalb eines Toleranzwerts von einem Mikrometer vom Sollwert entfernt befand, d. h., wenn ein Laserschuss aufgenommen wurde. Thomson Parabola-Ionen-Spektrometerspuren wurden aus 14 aufeinanderfolgenden Bestrahlungen von 600 Nanometer dicken Goldfolienzielen gewonnen.Aus diesen Spuren wurden Energiespektren abgeleitet. Die Peak-to-Peak-Stabilität der maximalen Protonenenergie lag innerhalb von 10%Nach diesem Verfahren können Untersuchungen der Ionen- und Elektronenbeschleunigung aus der Neuronenerzeugung systematisch durchgeführt werden.

Research

JoVE Journal

Engineering

Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

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Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Räumliche Trennung von molekularen Konformen und Clustern

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

Convergent Polishing: A Simple, Rapid, Full Aperture Polishing Process of High Quality Optical Flats &amp; Spheres

Convergent Polishing: A Simple, Rapid, Full Aperture Polishing Process of High Quality Optical Flats & Spheres

Convergent Polieren: Eine einfache und schnelle, Schmalrandpolierprozess der Hochwertiges optisches Wohnungen &amp; Spheres

Convergent Polishing is a novel polishing system and method for finishing flat and spherical glass optics in which a workpiece, independent of its initial ...

Laser-induced Forward Transfer for Flip-chip Packaging of Single Dies

Laser-induzierte Vorwärtstransfer für Flip-Chip-Packaging der Einzelstümpfe

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Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

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