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In femtosecond laser ablation the plume has two components: a faster-moving plasma part and a slower nanoparticle plume which contains most of the ablated material. This paper describes the results of experiments to comprehensively characterize the plume in laser ablation of Ni with 300 fs pulses at 527 nm. Both single-pulse and double-pulse irradiation was used. The laser ablation depth was measured using white light interferometry. The dynamics of the plasma part of the ablation plume was measured using Langmuir ion probes. The shape of the overall ablation plume was recorded by depositing a thin film on a transparent substrate and measuring the thickness distribution. The expansion of the plasma plume is well described by the Anismov isentropic model of plume expansion. Just above the ablation threshold, the nanoparticle plume is also well described by the Anisimov expansion model. However, at higher fluence a wider plume is formed, perhaps due to the pressure exerted by plasma. For double-pulse ablation it is observed that as the second pulse is delayed beyond ≈20 ps the ablation depth is reduced and the ion yield is increased. This behaviour is due to reheating of the nascent plasma plume produced by the first pulse. This generates a pressure pulse that acts as a tamper which impedes the fragmentation and ablation of deeper layers of material.

We have used time and space-resolved optical emission spectroscopy to study the expansion dynamics of the plasma generated by pulsed laser ablation of solid targets of the recently discovered superconducting MgB2 into a background Ar gas at different pressures. Our analysis clearly indicates that, above a fixed pressure, plasma propagation into Ar leads to both the formation of a shock wave, which causes a considerable increase of the fraction of excited Mg atoms, and the simultaneous reduction of the kinetic flux energy of the ablated atoms. These results have then been analyzed in the framework of a simplified gas dynamic approach for the description of free-plume self-similar expansion and of a point-blast-wave model to account for the interaction of the plume with the Ar ambient gas, thus obtaining full support and a sound physical interpretation of our experimental observations. Finally, we have related our conclusions to the general problem of the optimization of the thin-film deposition of laser-ablated materials, with particular emphasis given to the specific case of MgB2, which is of great, present interest.

We have experimentally investigated the use of diffraction-free beams to generate low-order harmonics in gas jets. Bessel–Gauss beams have been generated from a Ti:sapphire, 100-fs laser by use of annular apertures and then by focusing of the ring-type–produced radiation. The conversion efficiencies for these beams for the third- and fifth-order harmonic generation in xenon have been measured and compared with those of pure Gaussian beams of the same energy content. We have thus found that, by matching the gas medium length to the range of the Bessel–Gauss beams, conversion efficiencies considerably higher than those of Gaussian beams can be obtained. The experimental results have also been discussed and interpreted in terms of a simple numerical model that emphasizes the effects of phase matching in the two different geometries.

Laser Metrology for Precision Measurement and Ispection in Industry, Florianópolis, Brazil

Il testo, corredato da circa 200 esercizi e 100 richiami bibliografici, è costituito da 12 capitoli, che formano il corpo principale, e da nove appendici. Il libro è essenzialmente rivolto agli studenti frequentanti le lauree triennali e specialistiche delle attuali Facoltà di Scienze ed Ingegneria, con riferimento ai corsi di Fisica Generale II, di Ottica Classica e Fisica dei Laser e di Optoelettronica. I capitoli sui laser, le fibre ottiche, sull'olografia ed alcune appendici si prestano anche ad essere utilizzati per corsi di tecniche ottiche ed applicazioni rivolti a studenti di primo anno di dottorato di ricerca in Fisica od in alcune discipline ingegneristiche (Optoelettronica, ad esempio). Il contenuto è sinteticamente riportato nel seguito. 1 ONDE: Introduzione; Equazione d’onda in una dimensione; Onde trasversali su di una corda; Onde armoniche; Velocità di fase; Equazione d’onda in tre dimensioni ed onde piane; Onde sferiche; Onde elettromagnetiche; La velocità della luce; Energia ed intensità; Propagazione in mezzi non conduttori: la dispersione; Pressione della radiazione; Irraggiamento; Sovrapposizione di onde; Onde stazionarie; Analisi di Fourier di funzioni periodiche; Funzioni non periodiche; Pacchetti d’onda e velocità di gruppo; Larghezza di righe spettrali; Onde elettromagnetiche e fotoni. Esercizi 2 PROPAGAZIONE DELLA LUCE: Introduzione; Il principio di Huygens; Raggi luminosi; Riflessione e rifrazione; Il principio di Fermat; Trattazione elettromagnetica; Formule di Fresnel; Riflettanza, trasmittanza ed angolo di Brewster; Polarizzazione per riflessione; Riflessione totale; Propagazione in mezzi conduttori; Propagazione in mezzi non omogenei; Le relazioni di Stokes per riflessione e trasmissione; I fotoni e la riflessione e trasmissione. Esercizi. 3 POLARIZZAZIONE E MEZZI ANISOTROPI: Introduzione; Stati di polarizzazione della luce; Mezzi anisotropi; Propagazione in un mezzo anisotropo; Formule di Fresnel per la propagazione nei cristalli; Ellissoide degli indici; Birifrangenza; Cristalli uniassici; Costruzione di Huygens in mezzi anisotropi; Polarizzazione per birifrangenza; Lamine di ritardo e compensatori; Polarizzazione per dicroismo e legge di Malus; Diffusione della luce e polarizzazione; Attività ottica; Anisotropia artificiale; Fotoelasticità; L’effetto Faraday; Effetti Kerr e Pockels; I parametri di Stokes; I vettori e le matrici di Jones; Polarizzazione, momento angolare della luce e fotoni. Esercizi. 4 OTTICA GEOMETRICA: Introduzione; Fondamenti dell’ottica geometrica; Definizioni generali; Superfici rifrangenti; Sistemi ottici centrati; La lente; Combinazione di lenti sottili; Tracciamento dei raggi e metodi matriciali in ottica geometrica; Gli specchi; Il prisma; Aberrazioni dei sistemi ottici; Superficie e curva caustica; Aberrazione sferica; Coma; Astigmatismo; Curvatura; Distorsione; Aberrazione cromatica; Strumenti ottici; L’occhio umano; La macchina fotografica; La lente di ingrandimento; L’oculare; Il microscopio; Il telescopio. Esercizi. 5 L’INTERFERENZA: Introduzione; Interferenza di due onde monocromatiche; Condizioni per osservare interferenza; L’esperimento di Young; Interferometri a separazione di fronte d’onda; Grado di monocromaticità della luce e visibilità delle frange; Lamina a facce piane e parallele: interferenza per divisione di ampiezza; Interferenza in strati sottili: l’interferometro di Fizeau; L’interferometro di Michelson; Gli interferometri di Mach-Zehnder e di Sagnac; Interferenza a più fasci; L’interferometro di Fabry e Perot; Applicazioni spettroscopiche del Fabry-Perot; Filtri interferenziali; Trattamenti antiriflettenti e specchi dielettrici a multistrato. Esercizi. 6 LA DIFFRAZIONE: Introduzione; Il principio di Huygens-Fresnel; Teoria della diffrazione di Kirchhoff; Diffrazione di Kirchhoff per un’apertura; Il principio di Babinet; Diffrazione alla Fraunhofer ed alla Fresnel; Trattazione qualitativa della diffrazione di Fraunhofer da una fenditura sottile; Diffrazione di Fraunhofer per un’apertura rettangolare; Apertura circolare; Potere risolvente dei sistemi ottici; Diffrazione di Fraunhofer da due fenditure sottili; Diffrazione di Fraunhofer da molte fenditure sottili; Il reticolo di diffrazione; Applicazioni spettroscopiche del reticolo; Reticoli in due e tre dimensioni; Diffrazione di Fraunhofer e trasformata di Fourier; Diffrazione di Fresnel da un’aprtura circolare; La lamina a zone di Fresnel; Il problema generale della diffrazione di Fresnel; L’apertura rettangolare e gli integrali di Fresnel; La spirale di Cornu; Diffrazione da uno schermo opaco semi-infinito. Esercizi. 7 COERENZA DELLA LUCE: Introduzione; Coerenza temporale e coerenza spaziale; Funzione di mutua coerenza e grado di coerenza; Grado di coerenza e visibilità delle frange di interferenza; Funzione di autocorrelazione, convoluzione e spettro di potenza; Il teorema di Van Cittert-Zernike; L’interferometro stellare di Michelson; Grado di coerenza e fluttuazioni di intensità: l’interferometro di Hanbury-Brown e Tuiss. Esercizi. 8 LO SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE ED I RAGGI X: Introduzione; Onde a radiofrequenza; Microonde; L’infrarosso; Il visibile; L’ultravioletto; I raggi x; Diffrazione dei raggi x; Ottiche per raggi x; I raggi gamma; Onde e particelle. Esercizi. 9 IL LASER: Introduzione; Fotoni; Processi di emissione ed assorbimento e coefficienti di Einstein; Allargamento di righe; Il mezzo attivo: inversione di popolazione; Metodi e schemi di pompaggio; Cavità ottiche risonanti; Modi dei risonatori ottici; Frequenze risonanti di una cavità ottica; Fattore di merito di una cavità risonante; Saturazione del guadagno nei sistemi laser; L’emissione laser, Accoppiamento con l’esterno; Frequenze di oscillazione dei sistemi laser; Oscillazione laser su singolo modo; Generazione di impulsi ultracorti; Laser ad impulsi giganti. Esercizi. 10 SISTEMI LASER ED APPLICAZIONI: Introduzione; Laser a stato solido; Laser a rubino; Laser a Neodimio; Laser a gas; Laser ad He-Ne; Lasr a ioni di Argon; Laser a gas molecolari; Il laser a CO2; Laser molecolari operanti nell’UV; Laser a coloranti; Laser a semiconduttori; Sorgenti laser a raggi x; Le applicazioni dei laser; Il laser nella ricerca fondamentale in fisica; Fusione termonucleare via laser; Separazione isotopica; Applicazioni nel campo della chimica; I laser i medicina; Lavorazioni meccaniche con i laser; Applicazioni nel settore dell’informazione; Trasmissioni ottiche; Sistemi radar con i laser; Applicazioni metrologiche dei laser; Controllo laser dell’ambiente. Esercizi. 11 OLOGRAFIA: Introduzione; Formazione di un ologramma; Ricostruzione dell’immagine olografica; Classificazione degli ologrammi; Materiali per olografia; Sorgenti di luce per olografia; Applicazioni dell’olografia. Esercizi. 12 FIBRE OTTICHE: Introduzione; Propagazione in fibre diritte; Propagazione in fibre incurvate; Fibre ad indice di rifrazione variabile; Fibre ad anima conica; Propagazione modale nelle fibre ottiche; Perdite energetiche nelle fibre; Materiali e processi di produzione; Applicazioni delle fibre ottiche; Dispersione nelle fibre. Esercizi. APPENDICI A: Costanti fisiche fondamentali; Conversione tra unità di misura dell’energia. B Metodi di misura della velocità della luce: L’importanza della misura della velocità della luce; Metodi astronomici per la determinazione di c; Metodi terrestri per la determinazione di c; Metodi recenti per la misura di c. C L’esperimento di Michelson e Morley: L’elettromagnetismo e le trasformazioni di Galileo; Tentativi di individuare il riferimento dell’etere; L’esperimento di Michelson e Morley; Le trasformazioni di Lorentz. D L’effetto Doppler: L’effetto Doppler; L’effetto Doppler classico; L’effetto Doppler relativistico; Ricadute dell’effetto Doppler. E Cenni di fisica dell’infrarosso: Introduzione; La regione infrarossa dello spettro elettromagnetico; La radiazione termica ed il corpo nero; Altre sorgenti di radiazione IR; Trasmittività nell’IR dell’atmosfera terrestre; Rivelatori di radiazione IR; Ottiche rifrattive e riflettive nell’IR; Le applicazioni nel campo dell’IR. F L’effetto Compton: L’effetto Compton; Derivazione della formula dell’effetto Compton. G Rivelatori di radiazione: I rivelatori di radiazione elettromagnetica; Il fotomoltiplicatore; Fotodiodi e rivelatori fotoconduttori; Cenni ai rivelatori di raggi x e . H La legge ABCD e le cavità ottiche: Ottica geometrica dei risonatori con la legge ABCD; Formulazione della legge ABCD per i fasci gaussiani; Applicazioni della legge ABCD ai fasci gaussiani. I Cenni di ottica non lineare: Introduzione; Suscettività lineare e non lineare di un mezzo; Fenomeni ottici non lineari al secondo ordine; Modello classico dell’elettrone atomico e polarizzazione non lineare; Il coefficiente ottico non lineare; Generazione di seconda armonica ottica; L’effetto Pockels rivisitato.

We present in this work a kinetic model which describes the evolution of charged particles produced by high-intensity, ultrashort laser pulses in nonresonant multiphoton ionisation (MPI). The numerically predicted waveforms of the ion detector signal are compared to those observed in nonresonant MPI of Xe with 30 psec, 10(13) W/cm2, 1.064 mum laser pulses. The comparison highlights the relevance of space charge effects in typical nonresonant MPI conditions, and shows the effectiveness of our model in accounting for them.