Investigation of the expansion characteristics and dynamics of colliding laser-produced plasmas

Al-Juboori, Haider Mahdi; von Plessen, Gero (Thesis advisor); Kull, Hans-Jörg (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020. - Dissertation, University College Dublin, 2020

Kurzfassung

Kollidierende lasererzeugte Plasmen (CLPP) werden gebildet, wenn zwei kurzpulsige Hochleistungslaserstrahlen auf eine Oberfläche fokussiert werden. Es gibt zahlreiche vielversprechende Anwendungen für CLPP, darunter analytische Spektroskopie, Elektronen-/Ionenstrahlerzeugung, VUV-/Röntgen-Quellen für Lithographie, Mikroskopie, Radiographie und Dünnschichtabscheidung. Die Eigenschaften von CLPP sind stark von der Wahl der experimentellen Bedingungen abhängig. Die Hauptuntersuchungen in dieser Arbeit basieren auf zeitaufgelösten Messungen von CLPP, die im sichtbaren Teil des Spektrums aufgenommen wurden. Die wichtigsten Parameter, die die Eigenschaften des CLPP beeinflussen, sind das Plasmamaterial, die Form und Geometrie des Targets, die Laserwellenlänge, Pulsdauer, Energie und Spotgröße sowie der Umgebungsdruck. Die Verzögerungszeit einer Beobachtung sowie die Anordnung des optischen Aufbaus wirken sich ebenfalls auf die Messungen aus. Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit ist die Weiterentwicklung und Untersuchung von kollidierenden Plasmen-Techniken sowie anderer Methoden zur Realisierung und Kontrolle der Speziesdichte, um ein tieferes Verständnis der komplexen Mechanismen zu erlangen. Dieses Wissen kann in die Entwicklung der CLPP-Physik einfließen, um Plasmen für bestimmte Anwendungen zu optimieren. In dieser Arbeit wurde die experimentelle Anordnung so konzipiert, dass CLPP systematisch beobachtet werden können. In diesem Aufbau wurde ein einzelner Nd:YAG-Laser mit einem Keilprisma verwendet, um zwei Strahlen zu erzeugen, die anschließend auf das Target fokussiert wurden, um mit einer einzigen Linse zwei Seed-Plasmen zu erzeugen. Es wurden zwei verschiedene Fokussierlinsen mit effektiven Brennweiten von ca. 100 mm und 125 mm verwendet, was zu einem Seed-Abstand von ca. 1,66 mm bzw. 2,16 mm führte. Zur Beobachtung der Wechselwirkungszone zwischen den beiden Plasmen wurden räumlich und zeitlich aufgelöste Beobachtungstechniken eingesetzt. Dadurch konnten die geometrischen Eigenschaften der Stagnationsschicht und ihre Ausdehnungsdynamik untersucht werden. Es wurden Plasmen aus homogenen Targetmaterialien, insbesondere Aluminium und Silizium, sowie eine Wechselwirkungszone aus heterogenem Targetmaterial, Silizium und Aluminium, erzeugt. Für alle drei Arten von CLPP wurden drei verschiedene Keiltargets mit Winkeln von flach (180o) bis (80o) zwischen den Oberflächen, an denen die beiden Seeds erzeugt wurden, verwendet. Die Pulslänge des Lasers, der auf der Fundamentalen eingesetzt wurde, lag in der Größenordnung von 10ns, und es wurden Laserenergien im Bereich von 254 bis 670 mJ verwendet. Zeitaufgelöste Emissionsbildgebung wurde verwendet, um die Reaktion und das Verhalten der Merkmale der Stagnationsschicht zu verfolgen, was einen guten Hinweis auf den Grad der Durchdringung der Plasmafahnen für alle untersuchten Fälle gab. Die Arbeit konzentrierte sich auf Beobachtungen mit Filtern, die bei 400nm und 450nm zentriert waren. Die Untersuchung lieferte eine beträchtliche Menge detaillierter Daten in Bezug auf die geometrische Analyse und die Expansionsgeschwindigkeit der Wechselwirkungszone. Durch die Verwendung der gleichen Versuchsanordnung für den gesamten Satz von Experimenten konnte ein konsistenter, umfassender Datensatz gesammelt werden. Dieser Ansatz bedeutet, dass die Daten direkt vergleichbar sind und sich miteinander in Beziehung setzen lassen, was in Verbindung mit Fast-Frame-Bildgebung unter Verwendung spektroskopischer Methoden die wesentlichen Elemente der Stagnationsschichtdynamik offenbart hat. Folglich erweitert diese Arbeit das Verständnis des Verhaltens von CLPP.