Surface dynamics of solids upon high-intensity laser irradiation investigated by grazing incidence X-ray scattering

Abstract

Die Anregung von Festkörpern durch ultraschnelle, intensive Laser erzeugt hochdichte Plasmen, die für die Astrophysik, die Fusion unter Trägheitseinschluss, verschiedene praktische Anwendungen einschließlich Laserbearbeitung, die Realisierung kompakter Quellen für kohärente XUV- bis Röntgenstrahlung und für helle Teilchen einschließlich Ionen relevant sind. Es liegt auf der Hand, dass ein umfassendes Verständnis der Laserkopplung und des anschließenden Energietransports in dichte Plasmen von zentraler Bedeutung ist. Bislang hinderte uns der derzeitige Mangel an geeigneten Methoden zur Beobachtung der komplexen Dichtedynamik mit ausreichender räumlicher Auflösung daran, die zugrundeliegende Physik quantitativ zu verstehen und bestehende Modelle zu vergleichen. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal die Durchführbarkeit von Röntgendiffusionsstreuexperimenten an laserangeregter kondensierter Materie unter streifendem Einzelimpuls-Einfall mit einem XFEL-Puls von 7 fs Pulsdauer. Die Experimente zeigen die ultraschnelle Entwicklung der Elektronendichte in der Nähe der Oberfläche. Wir leiten die Dynamik der Dichte- und Oberflächenprofile auf ultraschnellen Zeitskalen ab. Die gewonnene Dichteinformation lässt auf die elektronische Wärmeleitgeschwindigkeit und die Dynamik des Oberflächenabtrags durch elektrostatische Ablation oder Elektron-Ionen-Kollisionen schließen. Da die Dynamik der Vielschichtprobe durch die Teilcheneindringung und den Druckausgleich zwischen benachbarten Schichten verursacht wird, wird unser neues Werkzeug eine zentrale Rolle beim Benchmarking verschiedener Modelle einschließlich Teilchenkollisionen und der Zustandsgleichung spielen. Es ist zu erwarten, dass die Ergebnisse für verschiedene Anwendungen nützlich sein werden, die auf der transienten Dynamik von Zuständen hoher Dichte beruhen: Materialbearbeitung, isochore Erwärmung, dynamische Laserkompression und relativistische Laser-Materie-Wechselwirkung. Unsere neue Technik wird eine wichtige Rolle beim lang erwarteten quantitativen Benchmark verschiedener Modelle spielen, die unter dem Mangel an präzisen experimentellen Daten gelitten haben. Zusätzlich liefert die Röntgenstreuung unter streifendem Einfall auch Informationen über laterale und vertikale Korrelation und Rauheitseigenschaften an der Oberfläche bei Laseranregung. Mit dieser Änderung der Oberflächenrauheit und der Welligkeit bei Laseranregung können die Dynamik der Instabilität des Oberflächenplasmas und die räumliche Homogenität der Schockwelle mit einer Auflösung von sub-μm untersucht werden. Die Zusammenführung von Röntgenstreuungstechniken und der Wissenschaft der Hochenergiedichte eröffnet ein völlig neues Feld für das Verständnis der grundlegenden Prozesse bei der Laser-Plasma-Wechselwirkung.

The excitation of solids by ultrafast, intense lasers creates high-density plasmas relevant for astrophysics, inertial confinement fusion, various practical applications including laser processing, realization of compact sources of coherent XUV to X-ray radiation and bright particles including ions. Obviously, a comprehensive understanding of laser coupling and subsequent energy transport into dense-plasma is of key importance. Up to now, the current lack of appropriate methods observing complex density dynamics with sufficient spatial resolution prevented us from a quantitative understanding of the underlying physics and benchmarking existing models. This thesis demonstrates for the first time the feasibility of single pulse grazing incidence X-ray diffuse scattering experiments from laser excited condensed matter employing single XFEL pulse of 7 fs pulse duration. The experiments, performed at the Japanese FEL facility SACLA, reveal the ultrafast evolution of the electron density in the vicinity of the surface. We deduce the dynamics of the density and surface profiles on ultrafast time scales. The retrieved density information infers the electronic heat conduction velocity and surface ablation dynamics caused by electrostatic ablation or electron-ion collisions. As the dynamics of the multilayer sample is caused by particle penetration and pressure balance between adjacent layers, our new tool will play a central role in benchmarking various models including particle collisions and the equation of states. The results can be anticipated to be useful for various applications that rely on transient dynamics of high-density states: material processing, isochoric heating, laser dynamic compression and relativistic laser matter interaction. Our new technique will play an important role towards long-awaited quantitative benchmark of various models that have been suffered from lack of precise experimental data. Additionally, grazing-incidence X-ray scattering provides also information on lateral and vertical correlation and roughness properties at the surface upon laser excitation. With this surface roughness and ripples changing upon laser excitation, surface plasma instability dynamics and spatial homogeneity of shock wave with sub-μm resolution can be investigated. Bringing together X-ray scattering techniques and high energy density science opens a complete new field in understanding the fundamental processes in laser-plasma interaction.