We investigate the ablation of silicon as a function of laser pulse length at a constant fluence using time-resolved x-ray spectroscopy data obtained from OMEGA EP experiments at the University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics. Our targets consisted of three-layer planar structures composed of Si (50 μm), Cu (25 μm), and SiO2 (500 μm) layers. The Si layer was irradiated by a 351-nm laser with varying pulse widths of 250 ps, 500 ps, 1 ns, and 10 ns while maintaining a constant fluence of ∼27.9 kJ/cm2. Electron temperatures and densities of the ablated plasma were determined by analyzing the time-resolved x-ray spectroscopy data through a comparison of experimental measurements with synthetic results obtained from Si atomic calculations in a steady state and non-local thermodynamic equilibrium. These calculations were computed using PrismSPECT [MacFarlane et al., High Energy Density Phys. 3, 181 (2007)]. Additionally, radiation-hydrodynamics simulations with FLASH are used to generate simulated plasma-density and plasma-temperature profiles, which are then compared with the experimental measurements. Our analyses reveal that increasing the laser pulse length at a constant fluence results in a decrease in electron temperatures and densities. Furthermore, the longer pulses with lower intensities lead to deeper ablation regions before reaching the peak ablation but lower ionization balances in the silicon layer. These findings emphasize the critical role of laser pulse length in plasma ablation and shock generation for laser-impulse studies.

1.
W. J.
Karzas
and
R.
Latter
,
Phys. Rev.
137
,
B1369
B1378
(
1965
).
2.
B.
Yaakobi
,
T.
Boehly
,
P.
Bourke
,
Y.
Conturie
,
R.
Craxton
,
J.
Delettrez
,
J.
Forsyth
,
R.
Frankel
,
L.
Goldman
,
R.
McCrory
,
M.
Richardson
,
W.
Seka
,
D.
Shvarts
, and
J.
Soures
,
Opt. Commun.
39
,
175
179
(
1981
).
3.
S.
Pfalzner
,
An Introduction to Inertial Confinement Fusion
(
CRC Press
,
Boca Raton, FL
,
2006
).
4.
R.
McCrory
,
S.
Regan
,
S.
Loucks
,
D.
Meyerhofer
,
S.
Skupsky
,
R.
Betti
,
T.
Boehly
,
R.
Craxton
,
T.
Collins
,
J.
Delettrez
,
D.
Edgell
,
R.
Epstein
,
K.
Fletcher
,
C.
Freeman
,
J.
Frenje
,
V.
Glebov
,
V.
Goncharov
,
D.
Harding
,
I.
Igumenshchev
,
R.
Keck
,
J.
Kilkenny
,
J.
Knauer
,
C.
Li
,
J.
Marciante
,
J.
Marozas
,
F.
Marshall
,
A.
Maximov
,
P.
McKenty
,
J.
Myatt
,
S.
Padalino
,
R.
Petrasso
,
P.
Radha
,
T.
Sangster
,
F.
Séguin
,
W.
Seka
,
V.
Smalyuk
,
J.
Soures
,
C.
Stoeckl
,
B.
Yaakobi
, and
J.
Zuegel
,
Nucl. Fusion
45
,
S283
(
2005
).
6.
C. J.
Keane
,
B. A.
Hammel
,
D. R.
Kania
,
J. D.
Kilkenny
,
R. W.
Lee
,
A. L.
Osterheld
,
L. J.
Suter
,
R. C.
Mancini
,
C. F.
Hooper
, and
N. D.
Delamater
,
Phys. Fluids B
5
,
3328
(
1993
).
7.
R.
Mancini
,
A.
Shlyaptseva
,
P.
Audebert
,
J.
Geindre
,
S.
Bastiani
,
J.
Gauthier
,
G.
Grillon
,
A.
Mysyrowicz
, and
A.
Antonetti
,
Phys. Rev. E
54
,
4147
4154
(
1996
).
8.
M. E.
Sherrill
,
R. C.
Mancini
,
J. E.
Bailey
,
A.
Filuk
,
B.
Clark
,
P.
Lake
, and
J.
Abdallah
, Jr.
,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
957
960
(
2001
).
9.
S. P.
Regan
,
J. A.
Delettrez
,
R.
Epstein
,
P. A.
Jaanimagi
,
B.
Yaakobi
,
V. A.
Smalyuk
,
F. J.
Marshall
,
D. D.
Meyerhofer
,
W.
Seka
,
D. A.
Haynes
,
I. E.
Golovkin
, and
C. F.
Hooper
,
Phys. Plasmas
9
,
1357
(
2002
).
10.
L.
Welser-Sherrill
,
R. C.
Mancini
,
J. A.
Koch
,
N.
Izumi
,
R.
Tommasini
,
S. W.
Haan
,
D. A.
Haynes
,
I. E.
Golovkin
,
J. J.
MacFarlane
,
J. A.
Delettrez
,
F. J.
Marshall
,
S. P.
Regan
,
V. A.
Smalyuk
, and
G.
Kyrala
,
Phys. Rev. E
76
,
056403
(
2007
).
11.
R.
Florido
,
R.
Mancini
,
T.
Nagayama
,
R.
Tommasini
,
J.
Delettrez
,
S.
Regan
,
V.
Smalyuk
,
R.
Rodríguez
, and
J.
Gil
,
High Energy Density Phys.
6
,
70
(
2010
).
12.
R.
Florido
,
R. C.
Mancini
,
T.
Nagayama
,
R.
Tommasini
,
J. A.
Delettrez
,
S. P.
Regan
, and
B.
Yaakobi
,
Phys. Rev. E
83
,
066408
(
2011
).
13.
J. A.
Baumgaertel
,
P. A.
Bradley
,
S. C.
Hsu
,
J. A.
Cobble
,
P.
Hakel
,
I. L.
Tregillis
,
N. S.
Krasheninnikova
,
T. J.
Murphy
,
M. J.
Schmitt
,
R. C.
Shah
,
K. D.
Obrey
,
S.
Batha
,
H.
Johns
,
T.
Joshi
,
D.
Mayes
,
R. C.
Mancini
, and
T.
Nagayama
,
Phys. Plasmas
21
,
052706
(
2014
).
14.
T.
Nagayama
,
R. C.
Mancini
,
R.
Florido
,
D.
Mayes
,
R.
Tommasini
,
J. A.
Koch
,
J. A.
Delettrez
,
S. P.
Regan
, and
V. A.
Smalyuk
,
Phys. Plasmas
21
,
050702
(
2014
).
15.
H. M.
Johns
,
R. C.
Mancini
,
P.
Hakel
,
T.
Nagayama
,
V. A.
Smalyuk
,
S. P.
Regan
, and
J.
Delettrez
,
Phys. Plasmas
21
,
082711
(
2014
).
16.
T. R.
Joshi
,
P.
Hakel
,
S. C.
Hsu
,
E. L.
Vold
,
M. J.
Schmitt
,
N. M.
Hoffman
,
R. M.
Rauenzahn
,
G.
Kagan
,
X.-Z.
Tang
,
R. C.
Mancini
,
Y.
Kim
, and
H. W.
Herrmann
,
Phys. Plasmas
24
,
056305
(
2017
).
17.
S. C.
Hsu
,
T. R.
Joshi
,
P.
Hakel
,
E. L.
Vold
,
M. J.
Schmitt
,
N. M.
Hoffman
,
R. M.
Rauenzahn
,
G.
Kagan
,
X.-Z.
Tang
,
R. C.
Mancini
,
Y.
Kim
, and
H. W.
Herrmann
,
Europhys. Lett.
115
,
65001
(
2016
).
18.
T. R.
Joshi
,
S. C.
Hsu
,
P.
Hakel
,
N. M.
Hoffman
,
H.
Sio
, and
R. C.
Mancini
,
Phys. Plasmas
26
,
062702
(
2019
).
19.
T.
Nagayama
,
R. C.
Mancini
,
R.
Florido
,
R.
Tommasini
,
J. A.
Koch
,
J. A.
Delettrez
,
S. P.
Regan
, and
V. A.
Smalyuk
,
J. Appl. Phys.
109
,
093303
(
2011
).
20.
T.
Nagayama
,
R. C.
Mancini
,
R.
Florido
,
D.
Mayes
,
R.
Tommasini
,
J. A.
Koch
,
J. A.
Delettrez
,
S. P.
Regan
, and
V. A.
Smalyuk
,
Phys. Plasmas
19
,
082705
(
2012
).
21.
D.
Farley
,
K.
Shigemori
, and
H.
Azechi
,
Laser Part. Beams
23
,
513
519
(
2005
).
22.
A. C.
Calder
,
B.
Fryxell
,
T.
Plewa
,
R.
Rosner
,
L. J.
Dursi
,
V. G.
Weirs
,
T.
Dupont
,
H. F.
Robey
,
J. O.
Kane
,
B. A.
Remington
,
R. P.
Drake
,
G.
Dimonte
,
M.
Zingale
,
F. X.
Timmes
,
K.
Olson
,
P.
Ricker
,
P.
MacNeice
, and
H. M.
Tufo
,
Astrophys. J.
143
,
201
(
2002
).
23.
D. N.
Maywar
,
J. H.
Kelly
,
L. J.
Waxer
,
S. F. B.
Morse
,
I. A.
Begishev
,
J.
Bromage
,
C.
Dorrer
,
J. L.
Edwards
,
L.
Folnsbee
,
M. J.
Guardalben
,
S. D.
Jacobs
,
R.
Jungquist
,
T. J.
Kessler
,
R. W.
Kidder
,
B. E.
Kruschwitz
,
S. J.
Loucks
,
J. R.
Marciante
,
R. L.
McCrory
,
D. D.
Meyerhofer
,
A. V.
Okishev
,
J. B.
Oliver
,
G.
Pien
,
J.
Qiao
,
J.
Puth
,
A. L.
Rigatti
,
A. W.
Schmid
,
M. J.
Shoup
III
,
C.
Stoeckl
,
K. A.
Thorp
, and
J. D.
Zuegel
,
J. Phys.
112
,
032007
(
2008
).
24.
D. D.
Meyerhofer
,
J.
Bromage
,
C.
Dorrer
,
J. H.
Kelly
,
B. E.
Kruschwitz
,
S. J.
Loucks
,
R. L.
McCrory
,
S. F. B.
Morse
,
J. F.
Myatt
,
P. M.
Nilson
,
J.
Qiao
,
T. C.
Sangster
,
C.
Stoeckl
,
L. J.
Waxer
, and
J. D.
Zuegel
,
J. Phys.
244
,
032010
(
2010
).
25.
M. J.
Rosenberg
,
A. A.
Solodov
,
C.
Stoeckl
,
M.
Hohenberger
,
R.
Bahukutumbi
,
W.
Theobald
,
D.
Edgell
,
T.
Filkins
,
R.
Betti
,
F. J.
Marshall
,
R. C.
Shah
,
D. P.
Turnbull
,
A. R.
Christopherson
,
N.
Lemos
,
E.
Tubman
, and
S. P.
Regan
,
Phys. Plasmas
30
,
072710
(
2023
).
26.
D. H.
Froula
,
D. T.
Michel
,
I. V.
Igumenshchev
,
S. X.
Hu
,
B.
Yaakobi
,
J. F.
Myatt
,
D. H.
Edgell
,
R.
Follett
,
V. Y.
Glebov
,
V. N.
Goncharov
,
T. J.
Kessler
,
A. V.
Maximov
,
P. B.
Radha
,
T. C.
Sangster
,
W.
Seka
,
R. W.
Short
,
A. A.
Solodov
,
C.
Sorce
, and
C.
Stoeck
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
54
,
4016
(
2012
).
27.
M.
Šmíd
,
O.
Renner
,
A.
Colaitis
,
V. T.
Tikhonchuk
,
T.
Schlegel
, and
F. B.
Rosmej
,
Nat. Commun.
10
,
4212
(
2019
).
28.
J.
Macfarlane
,
I.
Golovkin
,
P.
Woodruff
, and
P.
Wang
,
APS Meet. Abstr.
34
,
J1.181
(
2003
).
29.
J.
MacFarlane
,
I.
Golovkin
,
P.
Woodruff
,
D.
Welch
,
B.
Oliver
,
T.
Mehlhorn
, and
R.
Campbell
,
Inertial Fusion Sci. Appl.
2003
,
457
460
(
2004
).
30.
D.
Mihalas
,
Stellar Atmospheres
(
Freeman and Co
.,
San Francisco, CA
,
1970
).
31.
P.
Hakel
,
Comput. Phys. Commun.
207
,
415
425
(
2016
).
32.
T. R.
Joshi
, Ph.D. dissertation,
University of Nevada
,
Reno
,
2015
.
33.
J.
MacFarlane
,
I.
Golovkin
, and
P.
Woodruff
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
99
,
381
397
(
2006
).
34.
E. N.
Hahn
et al, “
Laser pulse-length dependent ablation and shock generation in silicon at 1015W/cm2 intensities
,”
Phys. Rev. Res.
(submitted).
35.
J. J.
MacFarlane
,
I. E.
Golovkin
,
P.
Wang
,
P. R.
Woodruff
, and
N. A.
Pereyra
,
High Energy Density Phys.
3
,
181
(
2007
).
You do not currently have access to this content.