Forskere belyser ultrahurtige laser-inducerede fast-til-overdense-plasma-overgange

Samspillet mellem faste stoffer og ultrakorte laserimpulser med høj intensitet har muliggjort store teknologiske gennembrud i løbet af det sidste halve århundrede. På den ene side tilbyder laserablation af faste stoffer mikrobearbejdning og miniaturisering af elementer i medicinsk eller telekommunikationsudstyr. På den anden side kan accelererede ionstråler fra faste stoffer ved hjælp af intense lasere bane vejen for nye muligheder for kræftbehandling med laserbaseret protonterapi, fusionsenergiforskning og analyse af kulturarv.

Udfordringer skal dog stadig overvindes for at skubbe laserablationsydelsen frem til nanometerskalaen og bringe laserdrevet ionacceleration til industri og medicinsk brug.

Under interaktionen af ​​en ultrakort laserimpuls med et fast mål, udvikler sidstnævnte sig til en ioniseret tilstand eller plasma over en ekstremt kort tidsperiode (mindre end et picosekund [ps]), hvor flere komplekse og koblede fysiske processer finder sted, mens deres samspil er stadig ikke fuldt ud forstået.

På grund af den ultrahurtige måludvikling er den indledende fase af interaktionen, dvs. plasmadannelse, næppe tilgængelig i eksperimenter. Derfor er denne ultrahurtige faststof-til-plasma-overgang, som sætter startbetingelserne for efterfølgende processer som ablation eller partikelacceleration, indtil videre blevet behandlet med grove antagelser i de fleste af de numeriske modeller, der beskriver en sådan interaktion.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , et internationalt hold af videnskabsmænd, herunder Yasmina Azamoum og Malte C. Kaluza fra Helmholtz Institute Jena og Friedrich-Schiller-Universität Jena, Tyskland, Stefan Skupin fra Institut Lumière Matière, Frankrig, Guillaume Duchateau fra Commissariat à l'énergie atomique (CEA-Cesta), Frankrig og medforfattere har taget et væsentligt skridt fremad med hensyn til at belyse den ultrahurtige laser-inducerede faststof-til-plasma-overgang og ved at give en dybdegående forståelse af samspillet mellem grundlæggende processer.

De præsenterer en banebrydende optisk enkelt-skuds sonderingsteknik, der muliggør fuldstændig visualisering af målets dynamik, fra et koldt fast stof, der passerer gennem ioniseringsstadiet til et overtæt plasma. Dette opnås ved brug af en lasersondeimpuls med et bredbåndsoptisk spektrum, der belyser interaktionen af ​​pumpeimpulsen med en nanometertyk diamantlignende carbonfolie. Probepulsens forskellige farver ankommer på forskellige tidspunkter af interaktionen på grund af en tidsmæssig kvidren.

Derfor kan udviklingen af ​​måltilstanden kodet i det transmitterede probelys fanges med en enkelt probeimpuls. En sådan enkelt-skuds sonderingsteknik er fordelagtig sammenlignet med konventionelle pumpesondemetoder, hvor den probede proces skal gengives identisk af pumpen for hver forsinkelse af sonden. Dette er især relevant, når der anvendes lasersystemer med høj effekt, som ofte lider af kraftige puls-til-puls-udsving.

Desuden påviste forskerne, at for den korrekte fortolkning af de målte probetransmissionsprofiler er den nøjagtige beskrivelse af den tidlige faststof-til-plasma-overgang afgørende. En to-trins interaktionsmodel blev udviklet, hvor det første trin tager højde for ioniseringsdynamikken for målet, der er i fast tilstand, og det andet trin betragter målet i plasmatilstanden.

En detaljeret udvikling af måltilstanden med høje tids- og rumopløsninger (henholdsvis sub-ps og nm) gives sammen med hidtil uset indsigt i samspillet mellem fundamentale processer såsom ioniseringsdynamik, partikelkollisioner og plasma hydrodynamisk ekspansion.

Resultaterne fra denne nye sonderingsteknik og deres fortolkning forventes at bidrage til en dybere indsigt i forskellige måldynamikker og en bedre forståelse af de underliggende fysiske processer. Disse resultater vil sandsynligvis hjælpe med at gå ud over de traditionelle metoder til ultrahurtig laserbehandling af materialer og til at gøre laseraccelererede ionteknologier anvendelige til samfundsmæssige anvendelser.

Flere oplysninger: Yasmina Azamoum et al., Optisk sondering af ultrahurtige laser-inducerede fast-til-overdense-plasma-overgange, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01444-y

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af TranSpread