Time- and Position-Dependent Breakdown Volume Calculations to Explain Experimentally Observed Femtosecond Laser-Induced Plasma Properties

丝状化 等离子体 激光器 材料科学 飞秒 原子物理学 电离 沟道等离子体 电子密度 自聚焦 光学 物理 离子 量子力学 激光束
作者
Afaque M. Hossain,Martin Ehrhardt,Martin Rudolph,Pierre Lorenz,Dmitry Kalanov,K. Zimmer,André Anders
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:10 (5): 1232-1239 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.2c00746
摘要

Focusing of femtosecond laser pulses in gases can produce different gas breakdown phenomena depending on the focusing conditions: from simple optical breakdown like laser "sparks" to a nonlinear optical breakdown like filamentation. The dynamics of such plasmas after the pulse exposure is dependent on the energy deposited by the laser in the breakdown volume. Using a time- and position-dependent breakdown model, we estimate the breakdown volume and show that the energy deposited by the laser in this breakdown volume determines the characteristics of laser-induced plasma in the post-pulse exposure regime. Experimentally we find that for different focal lengths there exists a threshold value of the energy density beyond which a transition from an ellipsoidal shape to a spherical shape can be observed, followed by a toroidal expansion of the produced plasma. When electron density and electron temperature are expressed as a function of the energy density, deviations from the parabolic dependence on irradiance are observed. They imply additional ionization by multiphoton ionization in the plasma volume that occurs when the peak power of the laser pulse is above the critical power for self-focusing in air. The relevance of this experimental and theoretical study is to prevent undesired self-focusing conditions during material processing, a step toward well-controlled laser-plasma etching without laser ablation.
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