English

Experimentele opstelling
Metingen van de elektrisch veldverdelingen tijdens een doorslag worden gedaan door middel van Stark spectroscopie. Om een goede tijdresolutie te halen, wordt er gebruik gemaakt van een puls compressie systeem, gebaseerd op Gestimuleerde Brillouin Verstrooiing (SBS). Een schematische weergave van de complete experimentele opstelling staat in figuur 1.

Figuur 1: Experimentele opstelling voor Stark spectroscopie aan doorslag
De experimentele opstelling bestaat uit vier delen:
  • Laser systeem voor Stark spectroscopie
  • Vacuüm kamer met elektrodes and spanningsbron
  • Snelle ICCD camera
  • Gestimuleerde Brillouin Verstrooiing (SBS) puls compressie systeem

Elk onderdeel van het systeem zal in de volgende paragrafen beschreven worden.
 

Stark Spectroscopie
De metingen van elektrische veldverdelingen d.m.v. Stark spectroscopie zijn gebaseerd op het meten van DC Stark effecten in de ontlading. Het mixen van energieniveaus van een atoom als gevolg van een (groot) elektrisch veld is bekend als het Stark effect. Door deze mix-effecten te meten en te vergelijken met theoretische berekeningen, kan het elektrisch veld in de ontlading bepaald worden. Meer informatie over het Stark effect en Stark spectroscopie kan gevonden worden in referenties [1-3].

De DC Stark mix-effecten worden gemeten m.b.v een 2+1 foton excitatie schema, zoals in figuur 2 te vinden is.

Figuur 2: 2+1 foton excitatie schema
Dit 2+1 foton excitatie schema vereist twee lasers, één met een constante golflengte en één met een verstembare golflengte. De eerste laser heeft een constante golflengte, geschikt om de atomen vanuit te grondtoestand te exciteren naar een aangeslagen toestand d.m.v. twee foton excitatie. Deze aangeslagen toestanden zullen de-exciteren naar lagere niveaus, waarbij ze fluorescentie licht uitzenden. Deze fluorescentie wordt buiten het plasma met een ICCD camera waargenomen. De tweede laser kan de aanslagen atomen naar nog hogere toestanden (zogenaamde Rydberg toestanden) exciteren. Wanneer de golflengte van de tweede laser precies gelijk is aan deze excitatie energie, zal de fluorescentie intensiteit afnemen, omdat er minder atomen in de originele aangeslagen toestand zijn. Absorptie van fotonen van de tweede laser kan dus gedetecteerd worden als een 'dip' in het fluorescentie signaal. Omdat de Rydberg toestanden een hoog kwantumgetal hebben, zijn ze erg gevoelig voor elektrische velden, er is een groot effect van de Stark mixing. Door de golflengte van de tweede laser te scannen en het fluorescentie licht te meten, kan een grafiek van fluorescentie intensiteit als functie van laser golflengte gemaakt worden. De overgangen van de aangeslagen toestanden naar de Rydberg toestanden zijn te zien als dips in het fluorescentie spectrum.

Aan de andere kant kan het Stark effect ook theoretisch berekend worden. Onze berekeningen zijn gebaseerd on the methode geïntroduceerd door Zimmerman et al. [4] en Saloman en Kelleher [5]. Deze methode is gebaseerd op het oplossen van de Schrödinger vergelijking inclusief een elektrische veld verstoring, door middel van een matrix diagonalisatie. Een voorbeeld van de resultaten van zo'n berekening staan in figuur 3.

Figuur 3: (Gedeeltelijke) energieniveau structuur van een xenon atoom als functie van elektrisch veld.

 Voor verschillende waarden van het elektrisch veld in de ontlading kan een fluorescentiespectrum berekend worden. Deze theoretische spectra worden vergeleken met het gemeten spectrum. Op deze manier kunnen elektrische veldverdelingen in de ontlading bepaald worden.
Het is duidelijk dat er voor Stark spectroscopie twee smalbandige lasers nodig zijn om de Strak structuur te kunnen oplossen. De tijdresolutie van deze methode wordt bepaald door de pulslengte van de verstembare laser. Normale gepulste laser systemen hebben een pulslengte van ongeveer 7 ns. In ons project is een betere tijdresolutie noodzakelijk om de structuren van de doorslag op te lossen. De benodigde tijdresolutie wordt gehaald door SBS puls compressie, zoals beschreven in de vorige paragraaf. Voor de SBS puls compressie is het nodig dat de verstembare laser, die gecomprimeerd wordt, een single-mode laser is. In ons systeem wordt dit als volgt bereikt. Een continue ring dye laser (gepompt door een Ar+ laser) wordt gebruikt als seed-laser. Deze laser wordt vervolgens versterkt in een drie-staps gepulste dye versterker, gepompt door een seeded Nd:YAG laser.Het resultaat is een single-mode verstembare puls, die gecomprimeerd kan worden d.m.v. SBS pulcompressie.

Doorslag condities
De keuze voor de condities van de doorslag werd bepaald door een aantal vereisten:
  • Het gas van de doorslag moet een edelgas zijn. Dit is nodig voor de theoretische berekening van de Stark spectra.
  • De doorslag moet reproduceerbaar in plaats en tijd zijn. Er zijn meerdere doorslagen nodig voor een complete Stark spectroscopie meting.
  • The elektrodes moeten gladde, geometrische vormen hebben. Dit maakt vergelijking van experiment en modellering makkelijker.
  • Lage drukken resulteren in lagere snelheden van de ionisatiefronten. Dit maakt de metingen makkelijker uit te voeren.

Een ontwerp voor een doorslag die aan alle vereisten voldoet is inmiddels gemaakt en getest. Deze doorslag heeft de volgende eigenschappen:
  • 2 roestvrijstalen elektrodes in een vacuüm kamer
  • cilinder symmetrische elektrodes
  • punt van de elektrode heeft een straal van 4 mm, hoogte ~ 40 mm
  • ontlading gas: argon bij 4 mbar
  • afstand tussen elektrodes is ~ 3.5 mm (variabel)
  • aangelegde spanning: 100 ms positieve blokgolf van ~ 500 V met een repetitiefrequentie van 500 Hz.
        

Figuur 4: Foto's van onze doorslag
ICCD camera systeem
Voor de detectie van het fluorescentie licht wordt een snelle ICCD camera gebruikt. De belangrijkste specificaties van onze camera zijn:
  • 1024 x 1024 pixels
  • 13 x 13 mm pixel grootte
  • 0.8 ns minimale optical gate width
  • tot 3600 x versterking

Deze camera is snel en gevoelig genoeg om de benodigde plaats- en tijdresolutie te halen.
 

Gestimuleerde Brillouin Verstrooiing puls compressie

Gestimuleerde Brillouin Verstrooiing is een niet-lineair proces dat twee stralingsvelden (een inkomende pompbundel en een gereflecteerde Stokes bundel) koppelt met een akoestische golf in een medium. Details over het SBS proces kunnen gevonden worden in tekstboeken over niet-lineaire optica, bv. He [6] en Newell [7]. Het SBS proces kan gebruikt worden om hoogvermogen laser pulsen te comprimeren [8]. De benodigde experimentele opstelling staat in figuur 5.

Figuur 5: Experimentele opstelling voor SBS puls compressie

De generator-versterker cel in de opstelling is een met gefilterd water (deeltjes < 0.2 mm) gevulde glazen buis. Het water is het actieve SBS medium. De bundelsplitser en de Fresnel rhomb dienen voor het splitsen van de gecomprimeerde bundel en de ingaande bundel.

Het concept is als volgt:

  • De ingaande bundel gaat door de met water gevulde buis.

  • De bundel wordt door een focusserende spiegel terug in de buis gefocusseerd.

  • In het focus van de hoogvermogen laser ontstaat spontane Brillouin verstrooiing door het begin van de laser puls. Een fasegeconjugeerde bundel is het resultaat.

  • Het terugverstrooide deel van de Brillouin verstrooiing, Stokes straling genoemd, heeft een wisselwerking met het resterende deel van de inkomende bundel wat een akoestische golf in het water tot gevolg heeft.

  • Het resterende deel van de ingaande bundel, de akoestische golf en de gereflecteerde Stokes bundel hebben een interactie die resulteert in Gestimuleerde Brillouin Verstrooiing (SBS). De ingaande bundel wordt gereflecteerd in het interactiepunt en de Stokes bundel wordt versterkt and gecomprimeerd in de tijd.

Figuur 6: SBS puls compressie
Laserpulsen van standaard gepulste lasers hebben een pulsduur van typisch 5-10 nsec. Met het SBS puls compressiesysteem kunnen laser pulsen van 200-500 ps gemaakt worden.

Een vereiste voor SBS puls compressie is dat de inkomende laser puls een single-mode Gaussische puls moet zijn. Een multi-mode laser bundel heeft intensiteitpieken als gevolg van mode-beating. Deze pieken verstoren het SBS proces wat resulteert in optische breakdown in het water. De noodzaak van een single-mode inkomende bundel definieert specifieke (nieuwe) vereisten voor het hele lasersysteem. Er moeten speciale voorzorgsmaatregelen getroffen worden om er voor te zorgen dat de laserpulsen voor de sub-nsec Stark spectroscopie single-mode zijn.

Voor ons puls compressiesysteem hebben we contact gehad met het Laser Centre van de Vrije Universiteit te Amsterdam. Deze groep heeft veel ervaring met SBS pulscompressie [9-11] en ze hebben ons van zeer nuttige adviezen voorzien.
 
Referenties
[1] P.H. Heckman, Introduction to the spectroscopy of atoms, North-Holland, Amsterdam, 1989.
[2] U. Czartnetzki et al., Phys. Rev. Lett., 81(21):4592-4595,1998
[3] V.P. Gavrilenko et al, Phys. Rev. E, 62(5):7201-7208, 2000.
[4] M.L. Zimmerman et al, Phys. Rev. A, 20(6):2251–2275, 1979.
[5] D.E. Kelleher and E.B. Saloman, Phys. Rev. A, 35(8):3327–3338, 1987.
[6] G.S. He, Physics of nonlinear optics, World Scientific, London, 1999.
[7] A.C. Newell and J.V. Moloney, Nonlinear optics, Addison-Wesley, Amsterdam, 1992.
[8] D.T. Hon, Opt. Lett., 5(12):516-518, 1980.
[9] S. Schiemann et al., IEEE J. Quantum Electron., 33(3):358-366, 1997.
[10] S. Schiemann et al., IEEE J. Quantum Electron., 34(3):407-412, 1998.
[11] D. Neshev et al., Appl. Phys. B, 68(4):671-675, 1999.
 

top