The collision of two laser generated plasma plumes can result, under appropriate conditions, in the formation of a “stagnation layer.” The processes underlying this phenomenon are complex and time dependent. The majority of experiments over the last few decades have focused upon spectroscopic diagnostic of colliding plasmas. We have performed electrostatic diagnosis of multiply charged copper ions (Cu+ to Cu5+) generated via Q-switched pulsed laser (λ = 1.06 μm, τ = 6 ns, and EL = 52−525 mJ) generation of copper plasma plumes from a planar target. Time dependent current traces, charge yields, and kinetic energy (Ke) distributions are obtained for single plasma plumes (Sp) and colliding plasma plumes (Cp). The charge yield from a Cp relative to twice that from a Sp is characterized by a charge yield ratio (CYR) parameter. Superior ion yields for all charge states occur for a discrete range of fluences (F) from colliding plasma plumes leading to a CYR parameter exceeding unity. The kinetic energy distributions from colliding plasma plumes display well defined energy compression via narrowing of the distributions for all fluences and charge states. The extent of this energy compression is charge dependent. Space charge forces within the stagnation layer and the resulting charge dependent acceleration of ions are proposed to account for the transfer of ion kinetic energy in favour of collisional ionization mechanisms.

1.
M. V.
Babykin
,
E. K.
Zavoiskii
,
L. I.
Rudakov
, and
V. A.
Skoryupik
,
Soviet Phys. [JETP]
16
,
1391
(
1963
).
2.
D. R.
Bates
,
A. E.
Kingston
, and
R. W. P.
McWhirter
,
Proc. R. Soc., London
A267
,
297
(
1962
).
3.
J. D.
Jukes
,
J. Fluid Mech.
3
(
3
),
275
(
1957
).
4.
D. W.
Koopman
,
Phys. Fluids
15
,
1959
(
1972
).
5.
P. T.
Rumsby
,
J. W. M.
Paul
, and
M. M.
Masoud
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
16
,
969
(
1974
).
6.
A. R.
Bell
,
P.
Choi
,
A. E.
Dangor
,
O.
Willi
,
D. A.
Bassett
, and
C. J.
Hooker
,
Phys. Rev. A
38
,
1363
(
1988
).
7.
A. S.
Wan
,
T. W.
Barbee
, Jr.
,
R.
Cauble
,
P.
Celliers
,
L. B.
Da Silva
,
J. C.
Moreno
,
P. W.
Rambo
,
G. F.
Stone
,
J. E.
Trebes
, and
F.
Weber
,
Phys. Rev. E
55
,
6293
(
1997
).
8.
K. A.
Brueckner
and
S.
Jorna
,
Rev. Mod. Phys.
46
,
325
(
1974
).
9.
N. C.
Woolsey
,
Y. A.
Ali
,
R. G.
Evans
,
R. A. D.
Grundy
,
S. J.
Pestehe
,
P. G.
Carolan
,
N. J.
Conway
,
R. O.
Dendy
,
P.
Helander
,
K. G.
McClements
,
J. G.
Kirk
,
P. A.
Norreys
,
M. M.
Notley
, and
S. J.
Rose
,
Phys. Plasmas
8
,
2439
(
2001
).
10.
B. A.
Remington
,
S. W.
Haan
,
S.G.
Glendinning
,
J. D.
Kilkenny
,
D. H.
Munro
, and
R. J.
Wallace
,
Phys. Fluids B
4
(
4
),
967
(
1992
).
11.
A. A.
Gorbunov
,
W.
Pompe
,
A.
Sewing
,
S. V.
Gaponov
,
A. D.
Akhsakhalyan
,
I. G.
Zabrodin
,
I. A.
Kas’kov
,
E. B.
Klyenkov
,
A. P.
Morozov
,
N. N.
Salaschenko
,
R.
Dietsch
,
H.
Mai
, and
S.
Völlmar
,
Appl. Surf. Sci.
96–98
,
649
(
1996
)
12.
E.V.
Pechen
,
S. I.
Krasnosvobodtsev
,
G.
Kessler
,
A.
Richter
,
M.
Panzner
,
O.
Grossman
,
A.
Teresiak
,
Phys. Status Solidi A
131
,
179
(
1992
).
13.
M. D.
Strikovsky
,
E. B.
Klyuenkov
,
S. V.
Gaponov
,
I.
Schubert
, and
C. A.
Copetti
,
Appl. Phys. Lett.
63
,
1146
(
1993
).
14.
S. S.
Harilal
,
C. V.
Bindhu
, and
H.-J.
Kunze
,
J. Appl. Phys
89
,
4737
(
2001
).
15.
F.
Ruhl
,
L.
Ascke
, and
H.-J.
Kunze
,
Phys. Lett. A
225
,
107
(
1997
).
16.
C.
Chenais-Popovics
O.
Rancu
,
P.
Renaudin
,
H.
Kawagoshi
,
J. C.
Gauthier
,
M.
Dirksmoller
,
I.
Uschmann
,
T.
Missalla
,
E.
Forster
,
O.
Renner
,
E.
Krousky
,
H.
Pepin
,
O.
Larroche
, and
O.
Peyrusse
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer.
54
(
½
),
105
(
1995
).
17.
T.
Atwee
and
H.-J.
Kunze
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
35
,
524
(
2002
).
18.
R. A.
Bosch
,
R. L.
Berger
,
B. H.
Failor
,
G.
Charatis
, and
R. L.
Kauffman
,
Phys. Fluids B
4
,
979
(
1992
).
19.
T.
Atwee
,
S. S.
Harilal
,
H.-J.
Kunze
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
34
,
1213
(
2001
).
20.
C.
Chenais-Popovics
P.
Renaudin
,
O.
Rancu
,
F.
Gilleron
,
J.-C.
Gauthier
,
O.
Larroche
,
O.
Peyrusse
,
M.
Dirksmöller
,
P.
Sondhauss
,
T.
Missalla
,
I.
Uschmann
,
E.
Förster
,
O.
Renner
, and
E.
Krouský
,
Phys. Plasmas
4
,
190
(
1997
).
21.
R.
Fabbro
,
B.
Faral
,
J. C.
Gauthier
,
C.
Chenais-Popovics
,
J. P.
Geindre
, and
H.
Pepin
,
Laser Part. Beams
8
,
73
(
1990
).
22.
O.
Rancu
,
P.
Renaudin
,
C.
Chenais-Popovics
,
H.
Kawagashi
,
J. C.
Gauthier
,
M.
Dirksmöller
,
T.
Missalla
,
I.
Uschmann
,
E.
Förster
,
O.
Larroche
,
O.
Peyrusse
,
O.
Renner
,
E.
Krouský
,
H.
Pépin
, and
T.
Shepard
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
3854
(
1995
).
23.
M.
Purvis
,
J.
Grava
,
J.
Filevich
,
M. C.
Marconi
,
J.
Dunn
,
S. J.
Moon
,
V. N.
Shlyaptsev
,
E.
Jankowska
, and
J. J.
Rocca
,
Phys. Rev E
76
,
046402
(
2007
).
24.
R. A.
Smith
,
L.
Lazarus
,
M.
Hohenberger
,
A. S.
Moore
,
J. S.
Robinson
,
E. T.
Gumbrell
,
M.
Dunne
,
Astrophys. Space Sci
307
,
131
(
2007
).
25.
S. M.
Pollaine
,
R. L.
Berger
, and
C. J.
Keane
,
Phys. Fluids B
4
(
4
),
989
(
1992
).
26.
P. W.
Rambo
and
J.
Denavit
,
J. Comput. Phys.
98
,
317
(
1992
).
27.
E.
Leboucher-Dalimier
,
P.
Angelo
,
P.
Gauthier
,
P.
Sauvant
,
A.
Poquerusse
,
H.
Derfoul
,
T.
Ceccotti
,
C. A.
Back
,
T. D.
Shepard
,
E.
Forster
,
I.
Uschmann
, and
M.
Vollbrecht
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf.
58
(
4–6
),
721
(
1997
).
28.
C.
Sánchez-Aké
,
D.
Mustri-Trejo
,
T.
García-Fernández
, and
M.
Villagrán-Muniz
,
Spectrochimica.Acta Part B
65
,
401
(
2010
).
29.
J.
Dardis
and
J. T.
Costello
,
Spectrochimica.Acta Part B
65
,
627
(
2010
).
30.
P.
Hough
,
C.
McLoughin
,
T. J.
Kelly
,
P.
Hayden
,
S. S.
Harilal
,
J. P.
Mosnier
,
J. T.
Costello
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
42
,
055211
(
2009
).
31.
E.
Camps
,
L.
Escobar-Alarcon
,
E.
Haro-Poniatowski
, and
M.
Fernandez-Guasto
,
Appl. Surf. Sci.
197–198
,
239
(
2002
).
32.
H.
Luna
,
K. D.
Kavanagh
, and
J. T.
Costello
,
J. Appl. Phys.
101
,
033302
(
2007
).
33.
A.
Tselev
,
A.
Gorbunov
, and
W.
Pompe
,
Appl. Phys. A
69
,
353
(
1999
).
34.
P.
Hough
,
C.
Fallon
,
C.
McLoughin
,
P.
Yeates
,
T. J.
Kelly
,
P.
Hayden
,
J. P.
Mosnier
,
E. T.
Kennedy
,
S. S.
Harilal
, and
J. T.
Costello
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
44
,
355203
(
2011
).
35.
J. S.
Pearlman
,
Rev. Sci. Instrum.
48
,
1064
(
1977
).
36.
J. F.
Seamans
and
W. D.
Kimure
,
Rev. Sci. Instrum.
64
,
460
(
1993
).
37.
H.
Chuaqui
,
M.
Favre
,
E.
Wyndham
,
L.
Arroyo
, and
P.
Choi
,
Rev. Sci. Instrum.
60
,
141
(
1989
).
38.
T.
Iida
,
R.
Taniguchi
,
T.
Fujimoto
, and
K.
Sumita
,
Rev. Sci. Instrum.
53
,
168
(
1982
).
39.
P.
Yeates
,
J. T.
Costello
, and
E. T.
Kennedy
,
Rev. Sci. Instrum
81
,
043305
(
2010
).
40.
P.
Yeates
,
J. T.
Costello
, and
E. T.
Kennedy
,
Plasma Sources Sci. Technol.
19
,
065007
(
2010
).
41.
A. W.
Molvik
,
Rev. Sci. Instrum.
52
,
704
(
1981
).
42.
S.
Falabella
and
A. W.
Molvik
,
Rev. Sci. Instrum.
61
,
1892
(
1990
).
43.
Y.
Sakai
,
M.
Kato
,
S.
Masuda
,
Y.
Harada
, and
T.
Ichinokawa
,
Surf. Rev. Lett.
5
,
1199
(
1998
).
44.
N.
Bundaleski
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
198
,
208
(
2002
).
45.
Y.
Franghiadakis
,
C.
Fotakis
, and
P.
Tzanetakis
,
Appl. Phys. A
68
,
391
(
1999
).
46.
Y.
Franghiadakis
,
C.
Fotakis
, and
P.
Tzanetakis
,
J. Appl. Phys.
84
,
1090
(
1998
).
47.
Y.
Cui
,
Y.
Zou
,
A.
Valfells
,
M.
Reiser
,
M.
Walter
,
I.
Haber
, and
R. A.
Kishek
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
2736
(
2004
).
48.
J.
Lohr
,
Rev. Sci. Instrum.
45
,
1168
(
1974
).
49.
S.
Stephanankis
and
W.
Bennett
,
Rev. Sci. Instrum.
39
,
1714
(
1968
).
50.
J. E.
Robinson
and
J. F.
Clarke
,
Rev. Sci. Instrum.
42
,
434
(
1971
).
51.
A.
Misra
,
T.
Srivastava
, and
R. K.
Thareja
,
. Int. J. Mod. Phys. B.
13
(
2
)
1503
(
1999
).
52.
A.
Rupp
and
K.
Rohr
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
28
,
68
(
1995
).
53.
F.
Belloni
,
D.
Doria
,
A.
Lorusso
, and
V.
Nassisi
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
4763
(
2004
).
54.
C.
Rustenberg
,
M.
Lindmayer
,
B.
Jutter
, and
H.
Pursch
,
IEEE Trans. Plasma. Sci.
23
,
909
(
1995
).
55.
A. W.
Molvik
,
Rev. Sci. Instrum.
52
,
704
(
1981
).
56.
T.
Honzawa
,
T.
Sekizawa
,
Y.
Miyauchi
, and
T.
Nagasawa
,
Jpn. J. Appl. Phys.
32
,
5748
(
1993
).
57.
T.
Baloniak
,
R.
Reuter
,
C.
Flotgen
, and
A.
Von Keudell
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
055203
(
2010
).
58.
R.
Jones
,
Rev. Sci. Instrum.
49
,
21
(
1978
).
59.
J.
Chang
,
D. W.
Swain
, and
L. P.
Mix
,
J. Appl. Phys.
44
,
2113
(
1973
).
60.
R. K.
Dwivedi
,
S. P.
Singh
, and
R. K.
Thareja
,
Int. J. Mod. Phys. B
12
,
2619
(
1998
).
61.
J.
Krasa
,
A.
Lorusso
,
D.
Doria
,
F.
Belloni
,
V.
Nassisi
, and
K.
Rohlena
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
39
,
294
(
2006
).
62.
I. V.
Roudskoy
,
Laser Part. Beams
14
,
369
(
1996
).
63.
J.
Krasa
,
L.
Laska
,
K.
Rohlena
,
M.
Pfeifer
,
J.
Skala
,
B.
Kralikova
, and
P.
Straka
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2539
(
1999
).
64.
J.
Krasa
,
A.
Lorusso
,
D.
Doria
,
F.
Belloni
,
V.
Nassisi
, and
K.
Rohlena
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
47
,
1339
(
2005
).
65.
E.
Woryna
,
J.
Wolowski
,
B.
Králiková
,
J.
Krasa
,
L.
Laska
,
M.
Pfeifer
,
K.
Rohlena
,
J.
Skala
,
V.
Perina
,
F. P.
Boody
,
R.
Höpfl
,and
H.
Hora
,
71
,
949
(
2000
).
66.
I. I.
Beilis
,
Laser Part. Beams
25
,
53
(
2007
).
67.
J.
Wild
,
P.
Kudra
,
T.
Gronych
,
T.
Jirsak
,
P.
Kubat
,
Z. K.
Zelinger
, and
S.
Civis
,
Czech. J. Phys.
53
(
2
), (
2003
).
68.
N. M.
Bulgakova
,
A. V.
Bulgakov
, and
O. F.
Bobrenok
,
Phys. Rev. E
62
,
5624
(
2000
).
69.
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
).
70.
J. A.
Stamper
,
Laser Part. Beams
9
,
841
(
1991
).
71.
L.
Torrisi
,
S.
Gammino
,
L.
Laska
,
J.
Krasa
,
K.
Rohlena
, and
J.
Wolowski
,
Czech. J. Phys.
56
,
B580
(
2006
).
72.
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
).
73.
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
).
74.
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
).
75.
J. N.
Olsen
and
C. W.
Mendel
 Jr.
J. Appl. Phys.
46
,
4407
(
1975
).
76.
L.
Torrisi
and
S.
Gammino
,
Rev. Sci. Instrum.
77
,
03B707
(
2006
).
77.
L.
Torrisi
,
D.
Mascali
,
R.
Miracoli
,
S.
Gammino
,
N.
Gambino
,
L.
Giuffrida
, and
D.
Margarone
,
J. Appl. Phys.
107
,
123303
(
2010
).
78.
A. V.
Kabashin
,
P. I.
Nikitin
,
W.
Maine
, and
M.
Sentis
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
25
(
1998
).
79.
A. V.
Kabashin
and
P. I.
Nikitin
,
Quantum Electron.
27
,
536
(
1997
).
80.
A. I.
Barchukov
,
V. I.
Konov
,
P. I.
Nikitin
, and
A. M.
Prokhorov
,
Zh. Eksp. Teor. Fiz.
78
,
957
(
1979
)
A. I.
Barchukov
,
V. I.
Konov
,
P. I.
Nikitin
, and
A. M.
Prokhorov
,
[Sov. Phys. JETP
51
,
482
(
1980
)].
You do not currently have access to this content.