Wetenschap
Onderzoekers verhelderen ultrasnelle lasergeïnduceerde overgangen van vast naar overdicht plasma
De interactie van vaste stoffen met ultrakorte laserpulsen met hoge intensiteit heeft de afgelopen halve eeuw grote technologische doorbraken mogelijk gemaakt. Enerzijds biedt laserablatie van vaste stoffen microbewerking en miniaturisatie van elementen in medische of telecommunicatieapparatuur. Aan de andere kant kunnen versnelde ionenbundels uit vaste stoffen met behulp van intense lasers de weg vrijmaken voor nieuwe mogelijkheden voor de behandeling van kanker met op laser gebaseerde protonentherapie, onderzoek naar fusie-energie en analyse van cultureel erfgoed.
Er moeten echter nog steeds uitdagingen worden overwonnen om de prestaties van laserablatie naar nanometerschaal te brengen en lasergestuurde ionenversnelling naar de industrie en medisch gebruik te brengen.
Tijdens de interactie van een ultrakorte laserpuls met een vast doelwit evolueert dit laatste in een extreem korte tijdsperiode (minder dan een picoseconde [ps]) naar een geïoniseerde toestand of plasma, waar meerdere complexe en gekoppelde fysieke processen plaatsvinden, terwijl hun wisselwerking wordt nog steeds niet volledig begrepen.
Vanwege de ultrasnelle doelevolutie is de beginfase van de interactie, dat wil zeggen plasmavorming, nauwelijks toegankelijk in experimenten. Daarom is deze ultrasnelle overgang van vaste stof naar plasma, die de initiële voorwaarden schept voor daaropvolgende processen zoals ablatie of deeltjesversnelling, tot nu toe behandeld met ruwe aannames in de meeste numerieke modellen die een dergelijke interactie beschrijven.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications , een internationaal team van wetenschappers, waaronder Yasmina Azamoum en Malte C. Kaluza van het Helmholtz Instituut Jena en de Friedrich-Schiller-Universität Jena, Duitsland, Stefan Skupin van het Institut Lumière Matière, Frankrijk, Guillaume Duchateau van het Commissariat à l'énergie atomique (CEA-Cesta), Frankrijk en co-auteurs hebben een belangrijke stap voorwaarts gezet in het ophelderen van de ultrasnelle laser-geïnduceerde transitie van vast naar plasma en door een diepgaand inzicht te verschaffen in de wisselwerking tussen fundamentele processen.
Ze presenteren een geavanceerde, volledig optische single-shot sondeertechniek die een volledige visualisatie van de dynamiek van het doelwit mogelijk maakt, van een koude vaste stof die door de ionisatiefase gaat tot een overdicht plasma. Dit wordt bereikt door het gebruik van een lasersondepuls met een breedband optisch spectrum dat de interactie van de pomppuls met een nanometerdikke diamantachtige koolstoffolie verlicht. De verschillende kleuren van de sondepuls komen op verschillende tijdstippen van de interactie aan als gevolg van een tijdelijk piepgeluid.
Daarom kan de evolutie van de doeltoestand gecodeerd in het uitgezonden sondelicht worden vastgelegd met een enkele sondepuls. Een dergelijke single-shot-sondetechniek is voordelig vergeleken met conventionele pomp-sondemethoden, waarbij het onderzochte proces voor elke vertraging van de sonde door de pomp identiek moet worden gereproduceerd. Dit is vooral relevant bij het gebruik van lasersystemen met hoog vermogen, die vaak last hebben van sterke puls-tot-pulsfluctuaties.
Bovendien hebben de wetenschappers aangetoond dat voor de juiste interpretatie van de gemeten transmissieprofielen van de sonde de nauwkeurige beschrijving van de vroege overgang van vaste stof naar plasma cruciaal is. Er werd een interactiemodel in twee stappen ontwikkeld, waarbij de eerste stap rekening houdt met de ionisatiedynamiek van het doelwit in de vaste toestand, en de tweede stap rekening houdt met het doelwit in de plasmatoestand.
Er wordt een gedetailleerde evolutie van de doeltoestand met hoge tijd- en ruimteresoluties (respectievelijk sub-ps en nm) geboden, samen met ongekend inzicht in de wisselwerking van fundamentele processen zoals ionisatiedynamica, deeltjesbotsingen en hydrodynamische expansie van plasma.
De resultaten van deze nieuwe sondeertechniek en de interpretatie ervan zullen naar verwachting bijdragen aan een dieper inzicht in verschillende doeldynamieken en een beter begrip van de onderliggende fysieke processen. Deze prestaties zullen er waarschijnlijk toe bijdragen om verder te gaan dan de traditionele methoden van ultrasnelle laserverwerking van materialen en om laserversnelde ionentechnologieën bruikbaar te maken voor maatschappelijke toepassingen.