The dynamics of laser generated plasma plumes expanding within confining surfaces display a two-phase nature. Early phase enhancement due to hydrodynamic containment results in higher temperatures, densities, and average charges states in comparison to freely expanding plasma plumes. Later phase dynamics result in rapid decay of the plasma plume due to lossy plasma—surface interactions. This paper examines laser plasma generation and expansion within rectangular aluminium cavities biased to high voltages (Vbias = ±9 kV). “Hydro-electro-dynamic” confinement of the laser plasma plumes and the expansion dynamics were studied via space and time resolved visible emission spectroscopy. The charged confining cavities displayed enhanced emission, higher electron densities (Ne) and longer emission durations compared to those of an unbiased cavity. This behavior is attributed to the influence of the electric fields in the cavity on the charged particle dynamics within the cavity volume. The degree of enhancement depended strongly on the applied polarity.
REFERENCES
1.
Isak. I.
Beilis
, Laser Part. Beams
25
, 53
(2007
).2.
N.
Tsuda
and J.
Yamada
, Jpn. J. Appl. Phys.
38
, 3712
(1999
).3.
P. E.
Dyer
, Appl. Phys. Lett.
55
, 1630
(1989
).4.
5.
P.
Loiseleur
, T. N.
Hansen
, J.
Larour
, and J. G.
Lunney
, Appl. Surf. Sci.
197–198
164
(2002
).6.
C.
Wulker
, W.
Theobald
, D. R.
Gnass
, F. P.
Schafer
, J. S.
Bakos
, R.
Sauerbrey
, S. P.
Gordon
, and R. W.
Falcone
, Appl. Phys. Lett.
68
, 1338
(1996
).7.
H.
Nakano
, T.
Nishkawa
, and N.
Uesugi
, Appl. Phys. Lett.
79
, 24
(2001
).8.
S. S.
Harilal
, C. V.
Bindhu
, H.-J.
Kunze
, J. Phys. D: Appl. Phys.
34
, 560
(2001
).9.
J.
Wild
, P.
Kudra
, T.
Gronych
, T.
Jirsak
, P.
Kubat
, Z. K.
Zelinger
, and S.
Civis
, Czech J. Phys.
53
(2
), 171
(2003
).10.
N. M.
Bulgakova
, A. V.
Bulgakov
, and O. F.
Bobrenok
, Phys. Rev. E
62
, 5624
(2000
).11.
M.
Borghes
, D. H.
Campbell
, A.
Schiavi
, M. G.
Haines
, O.
Willi
, A. J.
MacKinnon
, P.
Patel
, L. A.
Gizzi
, M.
Galimberti
, R. J.
Clarke
, F.
Pegoraro
, H.
Ruhl
, and S.
Bulanov
, Phys. Plasmas
9
, 2214
(2002
).12.
J. A.
Stamper
, Laser Part. Beams
9
, 841
(1991
).13.
L.
Torrisi
, S.
Gammino
, L.
Laska
, J.
Krasa
, K.
Rohlena
, and J.
Wolowski
, Czech J. Phys.
56
, Suppl B, B580
(2006
).14.
M.
Borghesi
, S.
Kar
, L.
Romagnani
, T.
Toncian
, P.
Antici
, P.
Audebert
, E.
Brambrink
, F.
CecchErini
, C. A.
Cecchetti
, J.
Fuchs
, M.
Galimberti
, L. A.
Gizzi
, T.
Grismayer
, T.
Lyseikina
, R.
Jung
, A.
Machhi
, P.
Mora
, J.
Osterholtz
, A.
Schiavi
, and O.
Willi
, Laser Part. Beams
, 25
, 161
(2007
).15.
N. C.
Woolsey
, J.
Howe
, D. M.
Chambers
, C.
Courtois
, E.
Forster
, C. D.
Gregory
, I. M.
Hall
, O.
Renner
, and I.
Uschmann
, High Density Phys.
3
, 292
(2007
).16.
M.
Roth
, A.
Blazevic
, M.
Geissel
, T.
Schlegel
, T. E.
Cowan
, M.
Allen
, J.-C.
Gauthier
, P.
Audebert
, and J.
Fuchs
, Phys. Rev. ST– Accel. Beams
5
, 061301
(2002
).17.
J. N.
Olsen
and C. W.
Mendel
Jnr, J. Appl. Phys.
46
, 4407
(1975
).18.
B. C.
Crafer
, Applied Laser Tooling Ed Series
, edited by O. D.
D
and M.
Perez-Amor
(Martinus Nijho
, Dordrecht
, 1987
), pp. 115
–129
.19.
20.
J.
Muramoto
, I.
Sakamoto
, Y.
Nakata
, T.
Okada
, and M.
Maeda
, Appl. Phys. Lett.
75
, 751
(1999
).21.
H. S.
Park
, S. H.
Nam
, and S. M.
Park
, J. Phys.: Conf. Ser.
59
, 384
(2007
).22.
D.
Fried
, T.
Kushida
, G. P.
Reck
, and E. W.
Rothe
, J. Appl. Phys.
72
, 1113
(1992
).23.
H.
Izumi
, K.
Ohata
, T.
Hase
, K.
Suzuki
, T.
Morishita
, and S.
Tanaka
, J. Appl. Phys.
68
, 6331
(1990
).24.
R. K.
Singh
, L
Ganapathi
, P.
Tiwari
, and J.
Narayan
, Appl Phys, Lett.
55
, 2351
(1989
).25.
D.
Fried
, T.
Kushida
, G. P.
Reck
, and E. W.
Rothe
, J. Phys. D: Appl. Phys.
24
, 2337
(1991
).26.
A.
Narazaki
, T.
Sato
, Y.
Kawaguchi
, H.
Niino
, A.
Yabe
, T.
Sasaki
, and N.
Koshizaki
, Appl. Surf. Sci.
197–198
, 438
(2002
).27.
J.
Woloski
, L.
Celona
, G.
Ciavola
, S.
Gammino
, J.
Krasa
, L.
Laska
, P.
Parys
, K.
Rohlena
, L.
Torrisi
, and E.
Wornya
, Laser Part. Beams.
20
, 113
(2002
).28.
L.
Torrisi
, D.
Margarone
, F.
Caridi
, and A.
Borrielli
, Proceedings of EPAC08, Genoa, Italy MOPC084.29.
M.
Yoshida
, J.
Hasegawa
, S.
Fukata
, Y.
Oguri
, M.
Ogawa
, M.
Nakajima
, K.
Horioka
, S.
Maebara
, and M.
Shiho
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
464
, 582
(2001
).30.
T.
Henkelmann
, G.
Korschinek
, and M.
Paul
, Rev. Sci. Instrum.
65
, 1182
(1994
).31.
M.
Ogawa
, M.
Yoshida
, M.
Nakajima
, J.
Hasegawa
, S.
Fukata
, K.
Horioka
, and Y
. Oguri
, Laser Particle Beams
21
, 633
(2003
).32.
L.
Andò
, L.
Torrsis
, S.
Gammino
, J.
Beltrano
, C.
Percolla
, and O.
Parasole.
, “Laser ion source for multiple Ta ion implantation
,” in Plasma Production by Laser Ablation, PPLA 2003
(Word Scientific
, London
, 2003
), p. 142
.33.
P.
Yeates
, J. T.
Costello
, and E. T.
Kennedy
, Rev. Sci. Instrum.
81
, 043305
(2010
).34.
P.
Yeates
, J. T.
Costello
, E. T.
Kennedy
, Plasma Sources Sci. Technol.
19
, 065007
(2010
).35.
Gy.
Farkas
and Z. Gy.
Horváth
, Optics Commun.
21
(3
), 408
(1977
).36.
Gy.
Farkas
, S. L.
Chin
, P.
Galarneau
, and F.
Yergeau
, Optics Commun.
48
(4
), 275
(1983
).37.
S. G.
Dinev
, Ch. I.
Radev
, K. V.
Stamenov
, and K. A.
Stankov
, Optics Commun.
30
(2
), 219
(1979
).38.
E.
Hontzopoulos
, D.
Charalambidis
, C.
Fotakis
, Gy.
Farkas
, Z. Gy.
Horváth
, and Cs.
Tóth
, Optics Commun.
67
(2
), 124
(1988
).39.
S. G.
Dinev
, Ch. I.
Radev
, K. V.
Stamenov
, and K. A.
Stankov
, Opt. Quantum Electron.
12
(3
), 231
(1980
).40.
A. V.
Gradoboev
, Tech. Phys. Lett.
27
, 447
(2001
).41.
S.
Varro
, Gy.
Karkas
, and F.
Ehlotzky
, Optics Commun.
172
, 47
(1999
).42.
M
Ferray
, A.
L’Huillier
, X. F.
Li
, L. A.
Lompre
, G.
Mainfray
, and C.
Manus
, J. Phys. B
21
, L31
(1998
).43.
X. F.
Li
, A.
L’Huillier
, M.
Ferray
, L. A.
Lompre
, and G.
Mainfray
, Phys. Rev. A
39
, 5751
(1989
).44.
J.
Seres
, E.
Seres
, A. J.
Verhoef
, G.
Tempea
, C.
Streli
, P.
Wobrauschek
, V.
Yakovlev
, A.
Scrinzi
, C.
Spielmann
, and F.
Krausz
, Nature (London)
433
, 596
(2005
).45.
W.-F.
Sun
, Y.-S.
Zhou
, X.-K.
Wang
, and Y.
Zhang
, Optics Express
16
(21
), 16573
(2008
).46.
T.
Löffler
, F.
Jacob
, and H. G.
Roskos
, Appl. Phys. Lett.
, 77
, 453
(2000
).47.
A.
Houard
, Y.
Liu
, B.
Prade
, V. T.
Tikhonchuk
, and A.
Mysyrowicz
, Phys. Rev. Lett.
100
, 255006
(2008
).48.
Y.
Liu
, A.
Houard
, B.
Prade
, S.
Akturk
, A.
Mysyrowicz
, and V. T.
Tikhonchuk
, Phys. Rev. Lett.
99
, 135002
(2007
).49.
C. D.
Amico
, A.
Houard
, S.
Akturk
, Y.
Liu
, J.
Le. Bloas
, M.
Franco
, B.
Prade
, A.
Couairon
, V. T.
Tikhonchuk
, and A
Mysyrowicz
, New J. Phys.
10
, 013015
(2008
).50.
M.
Kurata - Nishimura
, T.
Kobayashi
, Y.
Matsuo
, T.
Motobayashi
, Y.
Hayashizaki
, and J.
Kawai
, Appl. Surf. Sci.
255
, 9729
(2009
).51.
M.
Kress
, T.
Löffler
, S.
Eden
, M.
Thomson
, and H. G.
Roskos
, Optics Lett.
29
(10
), 1120
(2004
).52.
T.
Löffler
and H. G.
Roskos
, J. Appl. Phys
, 91
, 2161
(2002
).53.
T.
Löffler
, M.
Kress
, M.
Thomson
, and H. G.
Roskos
, Acta Phys. Pol. A
, 107
(1
), 99
(2005
).54.
E.
Budiarto
, J.
Margolies
, S.
Jeong
, and J.
Son
, IEEE J. Quantum Electron.
32
(10
), 1839
(1996
).55.
B.
Wang
, X.
Li
, P.
Fu
, J. Phys. B
31
, 1961
(1998
).56.
F. O.
Bredice
, D.
Jesús
O.
Orzi
, D.
Schinca
, H.
Sobral
, and M.
Villagrán - Muniz
, IEEE Trans. Plasma Sci.
30
(6
), 2139
(2002
).57.
M.-Q.
Bao
and A. F.
Starace
, Phys. Rev. A
53
(6
), R3723
(1996
).58.
D. B.
Milosevic
and A. F.
Starace
, Phys. Rev. A
60
(4
), 3160
(1999
).59.
60.
R. V.
Ambartsumyan
, G. I.
Bekov
, V. S.
Letokhov
, and V. I.
Mishin
, JETP
21
(10
), 279
(1975
).61.
P.
Yeates
and E. T.
Kennedy
, Phys. Plasmas
17
, 093104
(2010
).62.
P.
Yeates
and E. T.
Kennedy
, J. Appl. Phys.
108
, 093306
(2010
).63.
J. T.
Knudtson
, W. B.
Green
, and D. G.
Sutton
, J. Appl. Phys.
61
, 4771
(1987
).64.
A. H.
El - Astal
and T.
Morrow
, J. Appl. Phys.
80
, 1156
(1996
).65.
H. C.
Liu
, X. L.
Mao
, J. H.
Yoo
, and R. E.
Russo
, Spectrochim. Acta B
54
, 1607
(1999
).66.
C.
Colh
, G.
Hatem
, E.
Verdugo
, P.
Ruiz
, and J.
Campos
, J. Appl. Phys.
73
, 4752
(1993
).67.
M. S.
Dimitrijevic
, Z.
Dujric
, and A. A.
Mihajlov
, J. Phys. D: Appl. Phys.
27
, 247
(1994
).68.
T.
Atwee
, S. S.
Harilal
, and H.-J.
Kunze
, J. Phys. D:Appl. Phys.
34
, 1213
(2001
).69.
L. J.
Radziemski
, D. A.
Cremers
, and T. M.
Niemczyk
, Spectrochim. Acta Part B
40
(3
), 517
(1985
).70.
P.
Bowe
, J.
Conway
, P.
Dunne
, T.
McCormack
, and G.
O’Sullivan
, J. Appl. Phys.
86
, 3002
(1999
).71.
S. S.
Harilal
, C. V.
Bindhu
, R. C.
Issac
, V. P. N.
Nampoori
, and C. P. G.
Vallabhan
, J. Appl. Phys.
82
, 2140
(1997
).72.
M.
Yamaura
, S.
Uchida
, A.
Sunahara
, Y.
Shimada
, K.
Hashimoto
, C.
Yamanaka
, K.
Shigemoria
, S.
Fujioka
, T.
Okuno
, K.
Nagai
, T.
Norimatsu
, H.
Nishimura
, K.
Nishihara
, N.
Miyanaga
, and Y.
Izaw
, Proc. SPIE
5448
, 1159
(2004
).73.
V.
Arora
, J. A.
Chakera
, S. R.
KumBhare
, P. A.
Naik
, N. K.
Gupta
, P. D.
Gupta
, Laser and Particle Beams
19
, 253
(2001
).74.
R.
Popil
, P. D.
Gupta
, R.
Fedosejevs
, and A. A.
Offenberger
, Phys. Rev. A
35
, 3874
(1987
).75.
76.
U.
Teubner
, C.
Wulker
, W.
Theobald
, and E.
Forster
, Phys. Plasmas.
2
, 972
(1995
);H. C.
Gerritsen
, H.
Van. Brug
, and M. J.
Van Der Wie
, J. Appl. Phys.
59
(6
), 2337
(1986
).77.
R. C.
Spitzer
and D. P.
Gaines
, Extreme Ultra Lithography Topical Meeting. Monterey, CA, 19-21 September 1994, LLNL document UCRL-JC-119627, Conference: 9409177-15.78.
W. C.
Mead
, E. M.
Campbell
, F. G.
Estabrook
, R. E.
Turner
, W. L.
Kruer
, P. H. Y.
Lee
, B.
Pruett
, V. C.
Rupert
, K. G.
Tirsell
, G. L.
Stradling
, F.
Ze
, C. E.
Max
, and M. D.
Rosen
, Phys. Rev. Lett.
47
(18
), 2
(1981
).79.
L. F.
Chase
, W. C.
Jordan
, J. D.
Perez
, and J. G.
Pronko
, Appl. Phys. Lett.
30
(3
), (1977
).80.
W.
Guan
, T.
Matsumoto
, and T.
Kawai
, Chem. Phys. Lett.
291
, 161
(1998
).81.
L.
Beigman
, P.
Ya. Pirogovskiy
, L. P.
Presnyakov
, A. P.
Shevelko
, and D. B.
Uskov
, J. Phys. B
22
, 2493
(1989
).82.
P.
Ya. Pirogovskiy
and A. P.
Shevelko
, Short Commun. Phys. P N Levedev Inst.
4
, 45
(1988
).83.
84.
M. A.
Mazing
, P.
Ya. Pirogovskiy
, A. P.
Shevelko
, and L. P.
Presenyakov
, Phys. Rev. A
32
(6
), 3695
(1985
).85.
V. A.
Bhagavarula
, Appl. Phys. Lett.
33
, 726
(1978
).86.
V. A.
Bhagavarula
and B.
Yaakobi
, Opt. Commun.
24
, 331
(1978
).87.
H. D.
Young
, “A case study in computer analysis
,” in Youngs Physics, Extended Version with Modern Physics
, 8th ed. (Addison-Wesly
, 1992
), p. 627
.88.
See www.electrostatic3D.com for Coulomb2D, finite element method based electric field solver.
89.
A. V.
Kabashin
, P. I.
Nikitin
, W.
Maine
, and M.
Sentis
, Appl. Phys. Lett.
73
, 25
(1998
).© 2011 American Institute of Physics.
2011
American Institute of Physics
You do not currently have access to this content.
