Observation and characterization of laser-driven Phase Space Electron Holes

The direct observation and full characterization of a phase space electron hole (EH) generated during laser-matter interaction is presented. This structure, propagating in a tenuous, nonmagnetized plasma, has been detected via proton radiography during the irradiation with a ns laser pulse (I?2 ˜ 1014 W/cm2) of a gold hohlraum. This technique has allowed the simultaneous detection of propagation velocity, potential, and electron density spatial profile across the EH with fine spatial and temporal resolution allowing a detailed comparison with theoretical and numerical models.

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.

Performance evaluation of a miniature laser ablation time-of-flight mass spectrometer designed for in situ investigations in planetary space research

Key performance features of a miniature laser ablation time-of-flight mass spectrometer designed for in situ investigations of the chemical composition of planetary surfaces are presented. This mass spectrometer is well suited for elemental and isotopic analysis of raw solid materials with high sensitivity and high spatial resolution. In this study, ultraviolet laser radiation with irradiances suitable for ablation (< 1 GW/cm2) is used to achieve stable ion formation and low sample consumption. In comparison to our previous laser ablation studies at infrared wavelengths, several improvements to the experimental setup have been made, which allow accurate control over the experimental conditions and good reproducibility of measurements. Current performance evaluations indicate significant improvements to several instrumental figures of merit. Calibration of the mass scale is performed within a mass accuracy (Δm/m) in the range of 100 ppm, and a typical mass resolution (m/Δm) ~600 is achieved at the lead mass peaks. At lower laser irradiances, the mass resolution is better, about (m/Δm) ~900 for lead, and limited by the laser pulse duration of 3 ns. The effective dynamic range of the instrument was enhanced from about 6 decades determined in previous study up to more than 8 decades at present. Current studies show high sensitivity in detection of both metallic and non-metallic elements. Their abundance down to tens of ppb can be measured together with their isotopic patterns. Due to strict control of the experimental parameters, e.g. laser characteristics, ion-optical parameters and sample position, by computer control, measurements can be performed with high reproducibility. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Probing the Allende meteorite with a miniature laser-ablation mass analyser for space application

We measured the elemental composition on a sample of Allende meteorite with a miniature laser ablation mass spectrometer. This Laser Mass Spectrometer (LMS) has been designed and built at the University of Bern in the Department of Space Research and Planetary Sciences with the objective of using such an instrument on a space mission. Utilising the meteorite Allende as the test sample in this study, it is demonstrated that the instrument allows the in situ determination of the elemental composition and thus mineralogy and petrology of untreated rocky samples, particularly on planetary surfaces. In total, 138 measurements of elemental compositions have been carried out on an Allende sample. The mass spectrometric data are evaluated and correlated with an optical image. It is demonstrated that by illustrating the measured elements in the form of mineralogical maps, LMS can serve as an element imaging instrument with a very high spatial resolution of µm scale. The detailed analysis also includes a mineralogical evaluation and an investigation of the volatile element content of Allende. All findings are in good agreement with published data and underline the high sensitivity, accuracy and capability of LMS as a mass analyser for space exploration.