Expansion dynamics and chemistry evolution in ultrafast laser filament produced plasmas

文献情報

出版日 2020-03-19
DOI 10.1039/D0CP00078G
インパクトファクター 3.676
著者

Elizabeth J. Kautz, Jeremy Yeak, Bruce E. Bernacki, Sivanandan S. Harilal


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要旨

Laser ablation in conjunction with optical emission spectroscopy is a potential non-contact, stand-off detection method for all elements in the periodic table and certain isotopes such as radionuclides. Currently, significant development efforts are on-going to use ultrafast laser filaments for remote detection of materials. The application of filaments is of particular interest in extending the range of stand-off capability associated with elemental and isotopic detection via laser-induced breakdown spectroscopy. In this study, we characterize the expansion dynamics and chemical evolution of filament-produced uranium (U) plasmas. Laser filaments are generated in the laboratory by loosely focusing 35 femtosecond (fs), 6 milli Joule (mJ) pulses in air. Time-resolved, two-dimensional plume and spectral imaging was performed to study hydrodynamics and evolution of U atomic and UO molecular emission in filament-produced U plasmas. Our results highlight that filament ablation of U plasmas gives a cylindrical plume morphology with an appearance of plume splitting into slow and fast moving components at later times of its evolution. Emission from the slow-moving component shows no distinct spectral features (i.e. broadband-like) and is contributed in part by nanoparticles generated during ultrafast laser ablation. Additionally, we find U atoms and U oxide molecules (i.e. UO, UxOy) co-exist in the filament produced plasma, which can be attributed to the generation of low-temperature plasma conditions during filament ablation.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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