Interaktionen mellan fasta ämnen och högintensiva ultrakorta laserpulser har möjliggjort stora tekniska genombrott under det senaste halvseklet. Å ena sidan erbjuder laserablation av fasta ämnen mikrobearbetning och miniatyrisering av element i medicinsk eller telekommunikationsutrustning. Å andra sidan kan accelererade jonstrålar från fasta ämnen med intensiva lasrar bana väg för nya möjligheter för cancerbehandling med laserbaserad protonterapi, fusionsenergiforskning och analys av kulturarvet.
Men utmaningar måste fortfarande övervinnas för att föra fram laserablationsprestanda till nanometerskalan och för att föra laserdriven jonacceleration till industri och medicinsk användning.
Under interaktionen av en ultrakort laserpuls med ett fast mål, utvecklas den senare till ett joniserat tillstånd eller plasma under en extremt kort tidsperiod (mindre än en pikosekund [ps]), där flera komplexa och kopplade fysiska processer äger rum, medan deras samspel är fortfarande inte helt förstått.
På grund av den ultrasnabba målutvecklingen är det inledande skedet av interaktionen, dvs plasmabildning, knappast tillgängligt i experiment. Därför har denna ultrasnabba fasta-till-plasma-övergång, som sätter de initiala förutsättningarna för efterföljande processer som ablation eller partikelacceleration, hittills behandlats med grova antaganden i de flesta numeriska modeller som beskriver en sådan interaktion.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett internationellt team av forskare, inklusive Yasmina Azamoum och Malte C. Kaluza från Helmholtz Institute Jena och Friedrich-Schiller-Universität Jena, Tyskland, Stefan Skupin från Institut Lumière Matière, Frankrike, Guillaume Duchateau från Commissariat à l'énergie atomique (CEA-Cesta), Frankrike och medförfattare har tagit ett betydande steg framåt för att belysa den ultrasnabba laserinducerade övergången från fast till plasma och genom att ge en djupgående förståelse för samspelet mellan grundläggande processer.
De presenterar en banbrytande helt optisk sonderingsteknik med ett skott som möjliggör fullständig visualisering av målets dynamik, från ett kallt fast ämne som passerar genom joniseringsstadiet till en övertät plasma. Detta uppnås genom användning av en lasersondpuls med ett bredbandigt optiskt spektrum som belyser interaktionen av pumppulsen med en nanometertjock diamantliknande kolfolie. Sondpulsens olika färger anländer vid olika tidpunkter för interaktionen på grund av ett temporalt pip.
Därför kan utvecklingen av måltillståndet som kodas i det sända sondljuset fångas med en enda sondpuls. Sådan enkel-shot sonderingsteknik är fördelaktig jämfört med konventionella pump-sond-metoder, där den sonderade processen måste återges identiskt av pumpen för varje fördröjning av sonden. Detta är särskilt relevant när man använder lasersystem med hög effekt, som ofta lider av kraftiga puls-till-puls-fluktuationer.
Vidare visade forskarna att för den korrekta tolkningen av de uppmätta sondtransmissionsprofilerna är en korrekt beskrivning av den tidiga övergången mellan fast substans och plasma avgörande. En tvåstegs interaktionsmodell utvecklades, där det första steget tar hänsyn till joniseringsdynamiken hos målet som är i fast tillstånd, och det andra steget tar hänsyn till målet i plasmatillståndet.
En detaljerad utveckling av måltillståndet med höga tids- och rymdupplösningar (sub-ps respektive nm) tillhandahålls, tillsammans med oöverträffad insikt i samspelet mellan grundläggande processer som joniseringsdynamik, partikelkollisioner och hydrodynamisk plasmaexpansion.
Resultaten från denna nya sonderingsteknik och deras tolkning förväntas bidra till en djupare insikt i olika måldynamik och en bättre förståelse av de underliggande fysiska processerna. Dessa prestationer kommer sannolikt att bidra till att gå längre än de traditionella metoderna för ultrasnabb laserbearbetning av material och att göra laseraccelererade jonteknologier användbara för samhälleliga tillämpningar.
Mer information: Yasmina Azamoum et al., Optisk sondering av ultrasnabba laserinducerade övergångar från fast till övertät plasma, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01444-y
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av TranSpread
