Detection and characterization of laser-induced plasmas

Abstract

Tato diplomová práce popisuje vývoj a demonstraci Mach–Zehnderova interferometru integrovaného do systému Spektroskopie Laserem Buzeného Plazmatu (LIBS) pro měření časově i prostorově rozlišené elektronové hustoty a dynamiky rázových vln v laserem buzeném plazmatu. Jako excitační zdroj byl nově využit infračervený Ho:YAG laser o vlnové délce 2090 nm (délka pulsu 4 ns, energie 3.65 mJ), který byl porovnán s konvenčním Nd:YAG laserem s 1064 nm (délka pulsu 5 ns, energie 23 mJ) na ocelových vzorcích různých tvrdostí (H0–H6) a na mědi. Vše bylo měřeno za laboratorních podmínek. Pro dosažení stabilních interferenčních proužků byly optické komponenty upevněny v tuhé klecové konstrukci, čímž se minimalizovaly větší mechanické posuny. Byl vytvořen poloautomatizovaný skript v jazyce Python, který je schopný zpracovat rozsáhlou sadu interferferenčních obrazců. Provádí ořez obrazu, extrakci fázového posunu pomocí Fourierovy transformace, Abelovu inverzi, výpočet hustoty elektronů a segmentaci plazmatu během několika sekund na jeden snímek. Mezi klíčová zjištění patří vyšší hustoty elektronů v plazmatu a ostřejší interferenční proužky rázových vln u excitace na 1064 nm, což lze přisoudit vyšší energii fotonů. Byla prokázána jasná korelace mezi tvrdostí vzorku a hustotou elektronů, přičemž měď vykazovala nejnižší hodnoty. Tato výsledná data potvrzují účinnost Mach–Zehnderova uspořádání pro kvantitativní diagnostiku plazmatu a představují 2090 nm excitační laser jako novou perspektivní vlnovou délku pro LIBS, zejména v kombinaci s automatizovanou analýzou obrazů pro efektivní zpracování velkých objemů dat.This diploma thesis reports the development and demonstration of a Mach–Zehnder interferometer integrated into a Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) setup to measure time and spatially resolved electron density and shock-wave dynamics in laser-induced plasmas. A novel, near-infrared Ho:YAG laser at 2090 nm (4 ns pulses, 3.65 mJ) was compared to a conventional Nd:YAG source at 1064 nm (5 ns, 23 mJ) across steel samples of varying hardness (H0–H6) and copper. Measurements were done under standard laboratory conditions. To produce stable interference fringes over extended periods, optical components were mounted in a rigid cage system design, minimizing mechanical drift. A semi-automated Python-based processing script was created to handle the vast interferogram dataset, performing image cropping, Fourier-transform phase extraction, Abel inversion, electron density calculation, and plasma segmentation in seconds per frame. Key findings include higher plasma electron densities and more distinct shockwave fringes for 1064 nm excitation, attributable to its greater photon energy. A clear correlation between sample hardness and electron density, with copper exhibiting the lowest values. These results validate the Mach–Zehnder approach for quantitative plasma diagnostics and introduce the 2090 nm pump laser as a promising new wavelength for LIBS, particularly when combined with automated image analysis for high-throughput data processing.