Master's Thesis

Detection and characterization of laser-induced plasmas

Final Thesis 8.33 MB

Author of thesis: Ing. Josef Hrdlička

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: Ing. Jakub Buday, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Aleš Hrdlička, Ph.D., Ph.D.

Abstract:

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.

Keywords:

LIBS, laser-indeced plasma, plasma, ablation, abel transform, electron density, atomic spectra, Mach-Zehnder Interferometer, image processing.

Date of defence

10.06.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Povrchová citlivost techniky. Princip rozšíření laserového svazku. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jakub Buday, Ph.D.

Predložená diplomova práca sa zaoberá rozšírením typickej LIBS analýzy o Mach-Zehnder interferenciu. Celkovo má práca rozsiahly záber, od zostavenia interferometru v laboratórií, experimentu po rozsiahle spracovanie dát. Na to bol kladený vysoký dôraz pre budúcu možnosť dlhodobejších experimentov a spracovania veľkého objemu dát v rozumnom čase.

Študent pri spracovávaní práce postupoval organizovane a svedomite. Bol schopný zostaviť interferometer Bez väčších problémov. Taktiež sa mu podarilo vytvoriť metodológiu pre spracovanie väčšieho objemu dát, čo nie je jednoduchá záležitosť, hlavne pri spracovaní obrazovych dat, ktoré sú nekonzistentne. Taktiež sa mu úspešne podarilo previesť základný experiment na overenie funkčnosti systému, spracovania dát, a predpokladov správania dát pre vybrané vzorky

Celkovo študent previedol rozsiahle znalosti a schopnosti v niekoľkých oblastiach. Práca je systematická a zrozumiteľná, a iba miestami s formálnymi chybami. Na základe čoho hodnotím prácu známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

Práce je technicky obdivuhodná. Uchazeč musel nastudovat rozsáhlou problematiku vlastností a diagnostiky plazmatu, což aplikoval na laserové mikroplazma. Sestavil Mach-Zehnderův interferometr s 532nm laserem a použil jej při prostorově rozlišeném měření teploty, hustoty elektronů, rychlosti a vývoje rázové vlny v mikroplazmatu buzeném 1064 a 2090nm laserem na ocelových a měděných vzorcích různé tvrdosti. Prokázal znalosti programování a metod zpracování obrazu včetně Abelovy inverze a potlačení šumu. Práce je psána anglicky na vysoké jazykové úrovni s řadou odkazů na odbornou literaturu, kterou bych ale ještě doporučil rošířit spolu se silnější vazbou na experimentální výsledky interferometrie, klasické spektroskopie a jejich výklad. Konkrétní připomínky a dotazy uvádím níže.
1) Abstrakt, Klíčová slova/Keywords – chyby v psaní velkých písmen
2) Str. 8 - celé nezáporné číslo jakkoliv menší než 1 je pouze nula. V Debyově sféře zde není žádná částice (obr. 1.4 C).
3) Str. 18. - nerovnice Heisenbergova principu neurčitosti mezi energií a časem je obráceně.
4) Str. 25 - „Figure is recreated in MATLAB from inspiration [42] and edited.“ – Poněkud zvláštní formulace.
5) Str. 29 - „Minimum readout time“ 4,4 s??
6) Str. 31, tab. 2.4 - „Maximum repetition rate 20-1000 Hz“? Spíše snad rozsah 20-1000 Hz?
7) Str. 35, obr. 2.3 -“Galelian“ – Galilean.
8) Str. 41 a 55, tab. 2.10, 2.11 - nesprávně zaokrouhleny intervaly spolehlivosti.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. 1) Str. 23 - vztah 1.25 obsahuje neurčité integrály? Nemají být u 2D Fourierovy transformace integrační meze obou integrálů mínus nekonečno až plus nekonečno? Funkce f(x, y) pak ve vztahu vůbec nevystupuje.
  2. 2) Str. 27 - jaké způsoby odstraňování šumu používáte?
  3. 4) Str. 52-53 - sporné obr. 2.14, 2.15 včetně proložení. Citujete mj. práce skupiny ve španělské Cordobě, kde měřili hustotu elektronů také Thomsonovým rozptylem, v LIBS uvádím např. A. Mendys et al. SAPB 66, 691-697, 2011, A.S. Zakuskin, T. Labutin SAPB 190, 106394, 2022. Nebyla by to spolehlivější metoda než pouze změny indexu lomu plazmatu, které nemusejí v pozdějších fázích souviset s hustotou elektronů, ale se změnami hustoty plazmatu měnícího se na plyn?
  4. 3) Str. 27, 30 - jak se vyrovnáváte s protichůdnými požadavky na vlnovou délku záření laseru, aby frekvence fotonů přesahovala plazmovou frekvenci, ale fotony zároveň nebyly schopny excitovat valenční elektrony atomů v mikroplazmatu?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová