Investigating the dynamics of laser induced sparks in atmospheric helium using Rayleigh and Thomson scattering

We have used optical Rayleigh and Thomson scattering to investigate the expansion dynamics of laser induced plasma in atmospheric helium and to map its electron parameters both in time and space. The plasma is created using 9 ns duration, 140 mJ pulses from a Nd:YAG laser operating at 1064 nm, focused with a 10 cm focal length lens, and probed with 7 ns, 80 mJ, and 532 nm Nd:YAG laser pulses. Between 0.4 μs and 22.5 μs after breakdown, the electron density decreases from 3.3 × 1017 cm−3 to 9 × 1013 cm−3, while the temperature drops from 3.2 eV to 0.1 eV. Spatially resolved Thomson scattering data recorded up to 17.5 μs reveal that during this time the laser induced plasma expands at a rate given by R ∼ t0.4 consistent with a non-radiative spherical blast wave. This data also indicate the development of a toroidal structure in the lateral profile of both electron temperature and density. Rayleigh scattering data show that the gas density decreases in the center of the expanding plasma with a central scattering peak reemerging after about 12 μs. We have utilized a zero dimensional kinetic global model to identify the dominant particle species versus delay time and this indicates that metastable helium and the He2 + molecular ion play an important role.

X-ray laser-induced ablation of lead compounds

The recent commissioning of a X-ray free-electron laser triggered an extensive research in the area of X-ray ablation of high-Z, high-density materials. Such compounds should be used to shorten an effective attenuation length for obtaining clean ablation imprints required for the focused beam analysis. Compounds of lead (Z=82) represent the materials of first choice. In this contribution, single-shot ablation thresholds are reported for PbWO4 and PbI2 exposed to ultra-short pulses of extreme ultraviolet radiation and X-rays at FLASH and LCLS facilities, respectively. Interestingly, the threshold reaches only 0.11 J/cm(2) at 1.55 nm in lead tungstate although a value of 0.4 J/cm(2) is expected according to the wavelength dependence of an attenuation length and the threshold value determined in the XUV spectral region, i.e., 79 mJ/cm(2) at a FEL wavelength of 13.5 nm. Mechanisms of ablation processes are discussed to explain this discrepancy. Lead iodide shows at 1.55 nm significantly lower ablation threshold than tungstate although an attenuation length of the radiation is in both materials quite the same. Lower thermal and radiation stability of PbI2 is responsible for this finding.

The application of surface second harmonic sensor to probe laser induced modification of titanium dioxide

The effects of high power pulsed laser light on a TiO2 photocatalyst have been investigated using a surface second harmonic generation (SSHG) sensor. When TiO2 is irradiated with a laser at 355mm a visible change in colour from white to dark blue crystals was observed. X-ray diffraction studies indicate that the crystal structure of the TiO2 developed a more rutile form following laser exposure.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

Laser Induced Fluorescence Based Optical Fiber Probe for Analyzing Bacteria

Optical fiber based laser induced fluorescence (LIF) measurements were carried out using Rhodamine B to analyze two different species of bacteria , a Gram-positive bacteria namely Bacillus smithii , and fibrin alginolvticus, a Gram- negative bacteria . The fiber sensor was clearly able to distinguish between the two species of bacteria . Quenching effect of the dye Rhodamine B by Bacillus smithii was observed . The effect of dye on the samples was also studied in detail.

Carbon nanotubes induced crystallization of poly(ethylene terephthalate)

We have investigated the crystallization characteristics of melt compounded nanocomposites of poly(ethylene terephthalate) (PET) and single walled carbon nanotubes (SWNTs). Differential scanning calorimetry studies showed that SWNTs at weight fractions as low as 0.03 wt% enhance the rate of crystallization in PET, as the cooling nanocomposite melt crystallizes at a temperature 10 °C higher as compared to neat PET. Isothermal crystallization studies also revealed that SWNTs significantly accelerate the crystallization process. WAXD showed oriented crystallization of PET induced by oriented SWNTs in a randomized PET melt, indicating the role of SWNTs as nucleating sites.

Laser induced fluorescence based optical fiber probe for analyzing bacteria

Optical fiber based laser induced fluorescence (LIF) measurements were carried out using Rhodamine B to analyze two different species of bacteria , a Gram-positive bacteria namely Bacillus .cmithii , and fibrin alginolvticus, a Gram-' negative bacteria . The fiber sensor was clearly able to distinguish between the two species of bacteria . Quenching effect of the dye Rhodamine B by Bacillus smitltii was observed . The effect of dye on the samples was also studied in detail.