La spectroscopie THz sonde le plasma photoexcité dans l'eau. Crédit :Tan et al., doi 10.1117/1.AP.3.1.015002
La photoionisation de l'eau implique la migration et la solvatation des électrons, avec de nombreux intermédiaires transitoires et hautement actifs. Le processus entraîne un grand décalage vers le bleu dans le spectre d'absorption, de la région THz ou gigahertz à la gamme visible. Alors que le comportement des électrons quasi libres de faible densité excités par une faible densité de puissance de pompe a été largement étudié, on sait encore peu de choses sur l'évolution transitoire du plasma photoexcité dans l'eau liquide. Des informations précieuses ont été récemment fournies par une équipe de recherche internationale dans une étude publiée dans Photonique avancée .
Selon Liangliang Zhang, professeur de physique à la Capital Normal University de Pékin et l'un des auteurs principaux de l'étude, le mécanisme physique de l'évolution du plasma à l'échelle ultrarapide sub-picoseconde dans l'eau liquide est considéré comme une extension de la théorie du plasma gazeux. Mais le plasma induit par laser dans l'eau liquide s'accompagne d'effets non linéaires plus complexes et plus forts que ceux du gaz, puisque l'eau a un coefficient non linéaire plus élevé, un seuil d'excitation inférieur, et une densité électronique plus élevée. Ces différences promettent la possibilité de débloquer de nouvelles technologies et applications, encourager les chercheurs à explorer le mécanisme physique potentiel du plasma photoexcité dans l'eau liquide.
Les électrons du solvant de l'eau ?
L'équipe de Zhang a induit du plasma dans un film d'eau stable à écoulement libre en utilisant des impulsions laser femtosecondes de 1650 nm. Ils ont concentré ces impulsions térahertz (THz) intenses pour sonder à l'échelle sub-picoseconde l'évolution temporelle des électrons quasi libres du plasma induit par laser dans l'eau. L'absorption des ondes THz avec une caractéristique unique de décroissance en deux étapes dans la signature dans le domaine temporel a été démontrée, indiquant l'importance de la solvatation électronique dans l'eau.
(a) Schéma du système expérimental. (b) Formes d'onde THz dans le domaine temporel dans l'eau liquide sans pompe optique (ligne noire) et sous l'absorption maximale causée par le plasma formé (ligne rouge). (c) Courbe d'évolution transitoire de l'absorption des ondes THz par le plasma dans l'eau avec une énergie de pompe de 90 μJ/impulsion. (d) Les points noirs indiquent la densité d'électrons quasi-libre maximale avec différentes énergies d'impulsion de pompe. Les points oranges montrent la relation entre le taux de solvatation et l'énergie d'impulsion de la pompe à l'état d'équilibre. Crédit :Tan et al., doi 10.1117/1.AP.3.1.015002
En utilisant le modèle Drude combiné avec le modèle intermédiaire à plusieurs niveaux et le modèle de particules dans une boîte, les chercheurs ont simulé et analysé les électrons quasi libres pour obtenir des informations clés telles que les caractéristiques d'absorption dans le domaine fréquentiel et le rapport de solvatation. Remarquablement, à mesure que la densité d'électrons quasi libres augmente, les pièges liés aux états liés semblaient saturer, résultant en un grand nombre d'électrons quasi libres qui ne peuvent pas être complètement solvatés. Selon Zhang, "Ce travail fournit des informations sur les aspects fondamentaux du processus de transport de charge dans l'eau et jette les bases d'une meilleure compréhension des propriétés physico-chimiques et de l'évolution transitoire du plasma excité par impulsion laser femtoseconde dans l'eau."
