Фиксирование эволюции морфологии лазерно-индуцированной плазменной люминесценции с использованием sCMOS-камеры TRC411

1. Введение

Процесс эволюции лазерно-индуцированной плазмы (ЛИП) заключается в следующем: мощный импульсный лазер облучает образец, и на поверхности образца происходит процесс испарение → ионизация → расширение → излучение → рекомбинация за очень короткое время. С широким применением лазерной обработки в промышленности, ЛИП, образующаяся в процессе лазерной абляции, также стала популярным направлением исследований в промышленной области. Технология спектроскопии возбуждения лазерным пробоем использует характеристики фотонов излучения ЛИП для получения элементного состава и содержания измеряемого образца. Кроме того, с ее помощью можно изучать физические свойства плазмы, что необходимо для применения в промышленной, биомедицинской, химической и экологической областях.

Длительность эволюции ЛИП чрезвычайно мала, порядка микро- или наносекунд. Для изучения таких сверхбыстрых процессов необходимы камеры с затвором с временем экспозиции порядка наносекунд. Представленные на рынке камеры имеют время экспозиции в микросекундном диапазоне.

В последние годы камеры с затвором заняли ключевую позицию в области сверхбыстрых экспериментов, таких как диагностика процессов горения, образования плазмы, а также исследование взрывов и столкновений. sCMOS-камера TRC411, основанная на новом поколении усилителя изображения и sCMOS-матрице, со временем стала лучшим представителем среди камер с затвором для съемки эволюционного процесса в сверхбыстрой области благодаря высокой частоте кадров, высокому усилению, короткому времени экспозиции 3 нс/500 пс и временному разрешению 10 пс. Ниже мы рассмотрим процесс эволюции лазерно-индуцированной плазмы для того, чтобы продемонстрировать характеристики и преимущества SCMOS-камеры TRC411 в таких экспериментах.

2. Принцип и схема эксперимента

Экспериментальное оборудование: пикосекундный лазер Edgewave, SCMOS-камера с усилением CISS TRC411 (TRC411-S-H20-U), высокопроизводительный ультрафиолетовый объектив.

Пикосекундный лазер интегрирован в экспериментальную систему. Лазер используется для запуска камеры, чтобы определить момент синхронизации между лазером и камерой, задержка канала затвора камеры последовательно меняется. sCMOS-камера использует ультрамалое время экспозиции, чтобы запечатлеть морфологическую эволюцию плазмы, возбуждаемой пикосекундным импульсным лазером, попадающим на кремниевый материал, от генерации до аннигиляции. Схематическое представление эволюции лазерно-индуцированной плазмы показано на рисунке 1. 

Рисунок 1 – Принцип образования лазерно-индуцированной плазмы

3. Ход эксперимента и результаты

Подготовка к эксперименту:

Кремниевый плазмон излучает свет с длиной волны около 500 нм, поэтому перед объективом устанавливается фильтр низких частот 400 нм для экранирования излучения возбуждающего лазера с длиной волны 355 нм. Фокус настраивается при внешнем освещении, после чего камера фиксируется. Параметры камеры устанавливаются следующим образом:

Рисунок 2 – (a) Экспериментальная установка, (b) Спектр плазменного излучения кремниевых материалов, (c) Кривая пропускания фильтра низких частот

Постановка эксперимента:

Выход синхронизации лазера тестируется осциллографом, и его выходной уровень составляет 4 В, 1 мОм, выход может быть напрямую подключен к входному порту sCMOS-камеры TRC411. 

Рисунок 3 – Выходной сигнал синхронизации лазера

Перед съемкой были выставлены следующие параметры:

На канале Gate было выполнено несинхронное сканирование последовательности с большой задержкой. Когда конечное время задержки Gate составляло от 129 нс до 140 нс, процесс люминесценции плазмы был зафиксирован.

Рисунок 4 – Плазменная люминесценция кремниевого материала, сфотографированного с покадровой коррекцией

Наконец, была зафиксирована морфологическая эволюция плазмы, возбуждаемой пикосекундным импульсным лазером в кремниевом материале, от генерации до аннигиляции, как показано на рисунке 5. Время от генерации до аннигиляции плазмы, возбуждаемой этим экспериментальным материалом, составляет около 10 нс.

Рисунок 5 – Процесс генерации-аннигиляции лазерно-индуцированной плазменной люминесценции кремниевых материалов

4. Заключение по результатам эксперимента

Приведенные выше экспериментальные результаты показывают, что sCMOS-камера TRC411 с усилением может быть точно синхронизирована с пикосекундным импульсным лазером, что позволяет зафиксировать морфологическую эволюцию экспериментального материала от генерации до аннигиляции плазмы. Преимуществом камеры TRC411 является сверхмалое время экспозиции при фиксировании сверхбыстрых экспериментальных явлений, таких как процессы горения, образования плазмы, взрывы и столкновения. sCMOS-камера TRC411 с усилением станет мощным инструментом для экспериментальных исследований

5. Техническое решение

1. Время экспозиции 500 пикосекунд

Захват переходных процессов с пикосекундной точностью и значительное снижение фонового шума.

2. Сверхвысокая частота дискретизации

Скорость работы sCMOS-камеры с полным разрешением достигает 98 кадров в секунду, что обеспечивает высокую скорость сбора данных и эффективность эксперимента. Кроме того, если установить область, где используется 16 линий, можно достичь более 1300 кадров.

3. Точный контроль времени

SCMOS-камера TRC411 с усилением оснащена контроллером временной синхронизации с тремя независимыми входами и выходами с минимальным временем задержки 10 пс, а также настройками внутреннего и внешнего триггера для точной синхронизации с лазером и другими устройствами.

4. Инновационная технология "нулевого шума"

Благодаря точному распознаванию однофотонного сигнала, теневой шум камеры и шум считывания полностью устраняются.

Компания INSCIENCE является официальным дистрибьютором продукции CIS Systems на территории РФ