Ultrafast ps–TALIF and streak camera diagnostics of atomic hydrogen in a helium microplasma jet

Abstract Picosecond two-photon absorption laser induced fluorescence (ps–TALIF) is combined with a streak camera (∼1 ps highest temporal resolution) to probe the effective lifetime ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>eff</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>H</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> ) and absolute density ( N H ) of atomic hydrogen in the effluent of a helium atmospheric-pressure microplasma jet ( μ APPJ). This approach allows for improved temporal resolution compared to conventional nanosecond diagnostics, enabling measurements of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>eff</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>H</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> as small as 50 ps, the corresponding N H reaching down to 10 14 cm −3 . Atomic densities are calibrated by performing identical ps–TALIF measurements in krypton gas contained in a custom-built low-pressure cuvette. Physical mechanisms that may be involved in the TALIF scheme such as photoionisation (PIN) and/or stimulated emission (SE) are also assessed, ensuring reliable studies. The determined <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>eff</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>H</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> and N H increase with the helium flow rate ( Q He ) in the range Q He = 0.3–1 slm. Both quantities are maximised near the exit nozzle of the μ APPJ, obtaining values below 400 ps and 6 × 10 14 cm −3 , respectively. As the axial distance increases, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>eff</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>H</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> declines with a rate of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mo>≈</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> 65 ps mm −1 for Q He = 1 slm which is about 3 times smaller than for Q He = 0.3 slm. These findings reveal a strong correlation between the experimentally-measured <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>eff</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>H</mm