（原子与分子物理专业论文）空气中激光诱导cu等离子体发射光谱的实验研究.pdf

摘要 脉冲激光烧蚀法在激光表面处理、薄膜沉积、质谱微量分析、纳米材料制备、半 导体材料研究等领域得到许多应用，但这些应用的进一步发展需要对激光一固体相互 作用、等离子体羽的形成以及等离子体中的有关物理化学反应过程有进一步的认识。 c u 是重要的金属材料，激光烧蚀c u 等离子体基本特征的研究，不论是对等离子体本 身规律的认识，还是其他领域的应用都具有重要的价值。本论文采用光谱方法对激光 烧蚀产生的c u 等离子体的基本特征进行了实验研究，主要内容有： f a ) 空气中激光烧蚀c u 产生等离子体发射光谱的研究 利用q 一开关n d ：y a g 激光器产生的1 0 6 z n 、i o n s 的脉冲激光聚焦在空气中的 c u 靶上，观测了激光诱导的c i l 等离子体发射光谱。采用不同的激光能量，分析了波 长范围为4 4 0 h m 到5 4 0 n m 的空间分辨发射光谱。在局部热力学平衡( l t e ) 条件近似 下，根据谱线的相对强度，得到了等离子体电子温度约在1 0 4 k 以上，给出了靶面附近 电子温度的空间演化规律，并探讨了n ( i i ) 5 0 0 5 2 r i m 谱线的谱线强度和半高全宽随激 光能量的变化规律。 ( b ) 不同的激光焦点位置产生的等离子体光谱的空间特性研究 激光烧蚀置于空气中的c u 靶产生等离子体，通过调节透镜与c u 靶的距离，本 文观测了激光烧蚀空气产生的空气火花等离子体、激光直接烧蚀铜靶产生 等离子 体以及空气火花等离子体与c u 等离子体相互作用等不同情况下的激光诱导击穿发射 光谱，激光束焦点的位置在分析材料性质的过程中有着重要的影响。 关键词：激光烧蚀；谱线展宽；电子温度；空气火花等离子体发射光谱 l a s e r - a b l a t i o nh a sb e e n w i d e l y u s e da saa v a i l a b l ea n dc o n v e n i e n tm e t h o dt op r o d u c em e t a l p l a s m a i nv a r i o u sa p p l i c a t i o n sa n dr e s e a _ c h e s ，b u tt h e r ea r em a n yu n s o l v e dp r o b l e m sb e c a u s et h ec o m p l e x p r o c e s so f r e a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n d p l a s m a i nr e c e n tt e ny e a r s ，b yt h el a s e r - a b l a t i o nt e c h n i q u ei su s e d i nt h i nf i l mp r e p a r a t i o n ，n a n o m a t e r i e lf o r m a t i o na n do t h e rn e ws e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lr e s e a r c h e s ，a m o r ed e t a i lm e c h a n i s mo fp l a s m af o r m a t i o n ，e x p a n s i o na n dc h e m i c a lr e a c t i o ni sn e e d e du r g e n t l y c o p p e ri s a ni m p o r t a n tn o b l em e t a li ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，s ot h es t u d yo fi t sp l a s m ap m p e r t i e sa n d r e a c t i o n sw i t hm o l e c u l e sa n dc l u s t e r sh a sas i g n i f i c a n tm e a n i n g si nt h e o r ya n dp r a c t i c e i nt h i st h e s i s ， t h es t u d yr e s u l t so ft h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r - a b l a t i o nc up l a s m aa r eg i v e n ，f o l l o w i n ga r et h e d e t a i l s ( a ) t h er e s e a r c ho fl a s e ri n d u c e dc up l a s m ae m i s s i o ns p e c t r ai na i r u s i n gn d ：y a g l a s e rr w i t haw a v e l e n g t ho f1 0 6 4 n ma n dap u l s ew i d t ho fl o n s ) a b l a t ec o p p e r t a r g e ti na i rt oo b s e r v et h ee m i s s i o ns p e c t r ao fp l a s m a t h es p a c e r e s o l v e ds p e c t r aa r em e a s u r e di nt h e w a v e l e n g t ho f4 4 0 n mt o5 4 0 r i ma tt h ed i f f e r e n tl a s e re n e r g y u n d e rt h em o d e lo fl o c a lt h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m ，t h ee l e c t r o n i ct e m p e r a t u r eo fc up l a s m a a r ed e d u c e dt ob ei nt h e1 0 4s c a l eb yt h er e l a t i v e l i n ei n t e n s i t i e s f i n a l l y ，s p a c ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o nt e m p e r a t u r ea r eo b t a i n e dn e a rt h et a r g e t ，t h e s u e n g t ha n d f w h m ( t h e f u l l w i d t hh a l f m a x i m u m ) o f n ( i i ) 5 0 0 5 2 r i ms p e c t r a l l i n ea r ea n a l y s e d o h ) s p a t i a l c h a r a c t e r i z a t i o no fl a s e ri n d u c e dc up l a s m ai na i rw i t hd i f f e r e n tl a s e rf o c u s i n g d i s t a n c e s t h ep l a s m as p e c t r ai n d u c e d b yp u l s e dl a s e ra b l a t i o no fc o p p e rt a r g e ta r em e a s u r e d b ya d j u s t i n g t h ed i s t a n c eo ft h el e o - s a m p l e , t h es p e c t r u mo fa i rs p a r k p l a s m a 、c up l a s m aa n d t h em n i p m c i t yo fb o t h p l a s m a s a r ea n a l y s e d f r o mt h er e s u l t ，i th a sb e e ns h o w nt h a tt h ef o c u s i n go ft h el a s e rb e a mh a sa l l i m p o r t a n ti n f u n e n c et oa n a l y s et h ep r o p e r t i e so f t h es a m p l e k e y w o r d s ：l a s e ra b l a t i o m l i n e - - b m a d e n i n g ；e l e c t r o nt e m p e r a t u r e ；a i rs p a r kp l a s m a i i r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北 师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：妾：盘主k日期：2 堕：五：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：堂：数主k 导师签名：氆丝 日期：堑5 ：2 西北师范大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 从上世纪6 0 年代激光器出现以后，激光以其独特的优点：f 1 ) 极高的单色性和相 干性；( 2 ) 极好的方向性；( 3 ) 极高的单色功率密度：( 4 ) 可快速调谐；( 5 ) 可调制性，广 泛地应用于研究物质的性质及其与外界环境的相互作用，并且极大地推动了光谱学的 发展，为等离子体的研究开创了崭新的局面。 激光烧蚀技术作为物理化学、生物医学和材料学科中的一个重要技术得到迅速发 展，它在沉积薄膜，材料合成，表面清洁与改性，外科手术，切割打孔以及光谱分析 等许多科学技术领域有着广泛应用前景。激光烧蚀靶面溅射出大量电子、原子、分子、 原子分子簇及它们的正负离子，可诱导产生一个等离子体的发光羽，这个等离子体是 很不稳定的。从动力学来分析它的形成、传播到消失，是经历了一个电子、原子、离 子、分子、粒子之间相互碰撞作用的过程。这一过程的研究随着激光烧蚀溅射技术的 应用与开发，一直引人注目。近年来，许多工作集中在激光诱导等离子体发射光谱特 点的研究。在研究的过程中，人们往往采用改变作用条件的方法，诸如用不同的激光 波长、脉宽、强度、靶材料、环境气体的压强以及其它因素，对靶的烧蚀速率、产物 平动能以及产物光辐射的规律等进行了大量的工作，使人们对激光烧蚀过程有一定 的认识。但迄今为止，由于存在激光与等离子体相互作用这一复杂过程，因而许多问 题尚未完全明了。特别是近1 0 年来，脉冲激光烧蚀技术在激光平面处理、脉冲激光 沉积( p l d ) 薄膜、质谱微量分析、纳米技术等领域得到许多应用。这些应用的进一 步发展需要对激光固体相互作用、等离子体羽的形成及其在真空或背景气体中的膨 胀过程有很好的认识。 同时，由于激光与等离子体相互作用具有复杂的非线性特征，因此对非线性科学 的研究具有重要意义。鉴于各种相互作用过程十分复杂，激光等离子体物理研究通常 分为两个内容：其一是研究经典碰撞占优势时强激光产生的等离子体整体特性，包括 激光逆韧致吸收、能量转换和输运过程、流体力学过程以及高温高密度等离子体状态； 二是研究无碰撞体制下激光与等离子体集体相互过程，包括各种波的不稳定性激发和 非线性相互作用以及能量反常输运过程等。许多实验显示，激光烧蚀现象中存在许多 十分复杂的物理化学过程，要了解这些过程，也提出了众多的数值模拟模型。这些模 型提供了对烧蚀粒子特性、等离子体成分分布、等离子体羽膨胀过程等许多有价值的 第一章绪论 信息。激光烧蚀产生等离子体及激光与等离子体的相互作用也是激光等离子体物理研 究的主要内容。 近年来，由于薄膜的激光溅射技术、同位素激光富集技术、激光痕量分析技术等 研究的发展，都要求对激光等离子体的性质有深入的研究。此外，作为一种新的分析 手段，激光等离子体技术越来越引起了人们的重视。用高功率激光能将各种材料汽化， 为进行元素分析提供了一种独特的条件。激光等离子体光谱技术大致可分成两部分， 一是将激光作为烧蚀手段，使用各种光谱技术手段( 吸收光谱、激光诱导荧光、激光 质谱分析等) 对烧蚀出的材料进行光谱检测；另一类是直接利用激光火花等离子体的 发射光谱进行分析。 第一节激光诱导等离子体的形成 1 激光烧蚀固体表面产生的等离子体“_ 3 1 在激光束作用下，固体材料表面因吸收光子而加热，并发生熔化，热电子从表面 逸出形成自由电子，被熔化的样品为稠密等离子体，包含着原子、分子、离子、电子 和团簇等，且沿着固体表面的法线方向高速扩散开来，形成等离子体羽。与此同时， 固体表面附近的背景气体也因受激光照射发生等离子体击穿。处于高温状态的等离子 体内由于粒子间的碰撞，各种粒子将迸一步分解与复合，样品的各种颗粒将进一步分 解为分子、原子，原子离解为离子，电子与离子复合为原子等等。 2 激光诱导气体击穿形成的等离子体” 当一束高功率脉冲激光经聚焦进入气体时，在聚焦点处会出现明亮的闪光，并伴 随着很大的响声，形成火花等离子体。m a k e r 在1 9 6 4 年第一个报道了所观测的这种现 象，并称之为激光诱导气体击穿。 在激光脉冲作用下，气体的击穿过程大体可分为两个阶段。第一个阶段，在激光 的聚焦区内，原子、分子、乃至微粒经多光子电离，产生初始的自由电子，当聚焦区 内激光脉冲的功率密度高达1 0 6 w c m 2 以上时，在高光子通量作用下，原子有一定的 儿率通过吸收多个光子而电离，产生出一定数量的初始电子。第二个阶段是发生雪崩 过程而形成等离子体，形成的等离子体由聚焦区向各个方向扩散开去，其起始扩展速 率约为1 0 5 m s 。随着等离子体的扩展，扩展速率逐步下降，伴随着等离子体的扩展 2 西北师范大学硕士研究生学位论文 出现冲击波，于是从聚焦区就发出冲击波的响声。 第二节等离子体的辐射机制 等离子体是原子分子的高度电离状态，是物质存在的第四种形式。在等离子体的 高温与高度电离状态下，原予的发射光谱具有许多新的特点。这些新特点可用等离子 体的能级图来分析。图1 是等离子体条件下的类氨离子的能级图叫。 e o 分立能级 l 7 基态 由图可见，与常态的原子能级图不同，在正常原子的离化限附近存在着一片能级 的准连续区。等离子体温度与电离的程度越高，准连续区越向基态扩展，以致电子在 受束缚的全部范围内都没有分立能级了。 1 激发辐射( 束缚一束缚) ：在原子的束缚能级之间的跃迁给出分立谱； 2 复合辐射( 自由一束缚) ：由于辐射的波长可以连续改变，给出连续谱； 3 韧致辐射( 自由一自由) ：发生在离化限以上的连续区中，这里也是自由电子区， 高温下的自由电子可能会具有很高的动能m v 2 2 ，电子在运动中当动能发生降低时 就会伴随产生辐射，称为韧致辐射，韧致辐射是连续谱。 激光等离子体的发射光谱有如下两个重要特征：第一个特征是有很强的连续背 景。电子在连续区或连续与分立能级之间的跃迁构成了连续光谱。由于产生连续跃迁 的范围很大，连续光谱区很宽，从紫外到红外都有。但是，影响连续背景的大小与诸 3 第一章绪论 多因素有关，特别是与所加的缓冲气的气压和等离子体的温度。缓冲气气压越高，背 景辐射越大；第二个特征是分立离子、原子与分子光谱且有不同演化速率，时间分辨 测量表明，各原子与离子光谱线的强度是随时间变化的。其特点是：1 ) 随着连续背 景的快速衰减，各种离子与原子的分立谱线强度先是很快地增长，而后又逐渐下降； 2 ) 离子线先达到最大值，其下降速度也比较快，原子线的增长与下降速度则比较缓 慢。 第三节激光等离子体理论概述 1 等离子体羽形成的微观机理9 。”1 在激光烧蚀固体靶过程中，当激光功率密度达到一定闽值，便会产生等离子体， 其产生的微观机理可分为两步： 第一步，当激光照射在金属表面，金属表面附近的电子通过逆韧致辐射而吸收光子， 吸收了能量的电子再通过电子声子相互作用而将其吸收的能量传递给金属晶格。电 子被加热的过程和与晶格的能量传递都是在几个皮秒的时间内完成，因而电子温度与 晶格的振动温度上升很快，最终导致晶格间键的断裂发生金属的汽化、爆炸等现象： 第二步，烧蚀的初始产物与激光相互作用。这种作用发生在靶面附近，导致溅射出的 物质迸一步加热、电离等。三个主要的效应是：一是金属导带中的电子在晶格场中由 于吸收激光辐射而进一步电离有可能引起雪崩式过程发生；二是具有一定能量的离子 与原子、分子碰撞也可引起电离发生；三是处于激发态的原子和分子的光电离和处于 基态的原子分子的多光子电离同时存在。 2 等离子体传播“ 固体靶表面 7l s d 阵面 疋八澍。 固体靶表面 图3 激光维持的燃烧波( l s c ) 和爆轰波( l s d ) 图3 为激光维持的燃烧波和爆轰波，当高能激光束辐照在靶表面，使靶蒸汽或靶 4 西北师范大学硕士研究生学位论文 表面附近的气体发生电离以致击穿，形成一个激光吸收区，被吸收的激光能量转化为 该区气体( 等离子体) 的内能，与流体发生耦合；靶表面气化较强时，靶蒸汽部分电 激光入射 靶材的燃烧阈值 等离子体形成 激光与等离子体耦合 靶材熔解、激发、气化 连续辐射如1 u s 离子辐射0 0 1 5 u s 原子辐射0 5 5 0 u s 图4a ) 金属靶表面产生的激光等离子体羽；( b ) 激光诱导等离子体的产生过程 离、加热、进而通过热辐射使前方冷空气发生加热和电离，形成激光维持燃烧波 ( l s c ) ，随着光强增大，l s c 吸收区运动加快，吸收加强直至与前方冲击波汇合形 成爆轰波( l s d ) ，形成对入射激光的完全吸收。在距靶表面的空间不同位置处，等 离子体的成分以及各个参数都有着很大的差异，图4 给出的激光烧蚀金属靶表面产生 的等离子体羽的过程以及各种辐射的大概持续时间。 3 激光等离子体光谱“2 1 ” 3 1 电离模型 3 1 1 局部热平衡( l t e ) 模型 在该近似下是用来描述较高密度下的等离子体的电离平衡，处于不同电离度的离 子的分布由平衡的碰撞过程来确定，而将辐射过程的影响忽略，该分布是由s a h a 方 程描述 簪；z 羯甓擎e x p f 一笔笋) 面百叫诵rl 一矿j 其中n 。为电子密度，2 为电离度为z 的离子密度，u 。幔) 为电离度为z 的离子的 配分函数，石2 为电离度为z 的离子的电离势，姒2 为z “和z 2 的电离势之差。有 5 第一章绪论 关配分函数吣3 ，l t e 模型的判据“”等有许多讨论。m c w h i r t e r “7 1 给出适用于l t e 模型 的判据为 虬1 6 x 1 0 ”t “2 z ( p ，q ) 3( 2 ) 这里t 为电子温度，。为电子密度，x ( p ，g ) 为所考虑的离子的最大能量差。 3 1 2 晕模型( t h ec o r o n a lm o d e l ) 该模型是用来描述低密度下的电离平衡，即处于基态的离子通过碰撞电离与通过 辐射复合再回到基态之间平衡，则其离子的分布可以用下式描述 塑s 。z ( g , c ) ( 3 ) n ( 占)口2 国，c ) 其中2 ( g ) 和“1 ( g ) 分别为电离度为z 和z + i 的离子密度；s 2 ( g c ) 和a 2 ( g ，c ) 为 碰撞电离和辐射复合的速率系数。与l t e 模型比较，离子分布主要取决于原子的速 率常数。w i l s o n “”给出适用于此模型的判据 n 。s1 5 x 1 0 1 0 t ) 4 z _ 1 坨( 4 ) 式中k l ( e v ) y q 电子温度，z 为离子z 的电离势。 3 1 3 碰撞复合( c r ) 模型 该模型适用于密度介于晕模型和局部热力学平衡模型之间的情形，它将碰撞过程 和辐射复合过程同时考虑，有 卑立；a 。n z + 饥一s 。z ( 州。 ( 5 ) 出 ”“。 其中a 。和s 。为c r 复合和电离系数。在稳态下上式可写为 等一罢 c 砷 a r _ 该式与晕模型中的( 3 ) 式相似，但和s 曲既是电子密度的函数，又是电子温度和原 子参数的函数，b a t e 。”已将部分参数列表。 3 2 谱线的加宽 西北师范大学硕士研究生学位论文 吸收或发射光谱中的分立谱线从来不是严格单色的，即使利用高分辨干涉仪观 测，得到的仍然是有一定线宽的光谱分布，p ) ，其中心频率为v 。= 仁，- e ，) h ，1 ，。对 应于上下能级间的跃迁。在附近的函数，0 ) 称为谱线轮廓。当两个频率，。，y ：处 的强度j p 。) = ，( v ：) ；l i v 。) 时，q ，1 ，：间的频率间隔西= i v - - v 1 i 就是谱线的半高全 宽( f w t t b l ) ，通常称为谱线的线宽度或半宽度，如下图所示。 在等离子体诊断应用中，谱线的加宽至关重要。但由于引起谱线加宽的因素较多， 实际应用中需要分析引起加宽的主要因素，再从线型中解析出有用的信息。 3 2 1s t a r k 加宽 按照s t a r k 加宽的理论，等离子体加宽的孤立谱线的轮廓主要取决于电子对辐射 原子或离子的碰撞，同时离子静电场有较小的影响，而且该影响使得谱线轮廓的加宽 变得不对称。g f i c m 用半经典方法计算了从h e 到c a 的中性原子的部分谱线加宽和从 l i l i 到c a l l 一价离子部分谱线的加宽。d i m i t r i j e r i c 用修正的半经典公式计算了众多 中性原子、单价离子和多价离子的加宽。“。但更多的谱线加宽在没有足够原子参数的 条件下却是使用简单的近似公式来估算。“。由于谱线加宽参数通常还是温度的函数， 通常的计算给出某一密度下不同温度时的加宽参数。 计算原子谱线的半高全宽( f w h m ) m 的半经典公式为 m ( 也，t ) a2 w , 伍) ( 1 + 鲥。伍) ) 虬x 1 0 。1 6 ( 7 ) 其中札和t 为电子密度和温度，k 为电子碰撞加宽系数。 a 。( t ) = 4 ( t ) m 4 1 0 4 ( 8 ) 7 第一章绪论 g = 1 7 5 ( 1 0 7 5 r ) 爿( t ) 为离子静态场加宽系数，r 为d e b y e 屏蔽系数，g l = g 1 7 5 。 在应用( 7 ) 式时，还需要满足下面的限制条件 尺t8 9 9x1 0 2 n e l 7 6 t 圳2s0 8 ( 1 0 ) 0 0 5g a ( t , ) n , t m l 0 。4 0 5( 1 1 ) 理论上已经计算过的原予谱线加宽系数的有文献 2 3 ，2 4 。 3 2 2 自然加宽 由于测不准原理，非扰动的能级仍有一定的寿命，因而自发辐射的谱线仍具有一 定的宽度。两个能级m ，l 间的跃迁，其自然加宽为 w l ( c m ) ；矛( 以k + 罗4 。) 娩 ( 1 2 ) _一 其中a m 。是态，i 向任何允许的m 态跃迁的几率。如果m ，h 态中的一个与基态发生偶 极耦合，则自然加宽为最大。通常自然加宽在等离子体光谱诊断中可忽略( 1 0 4 n i n 量 级) ，但在低压气体放电产生的低密度等离子体中，自然加宽是重要的加宽机制。 3 0 3 共振加宽 共振加宽发生在某个能级与基态之间的偶极耦合，其加宽的表达式为 w g g s = 1 6 3 x 1 0 - 1 3 ( g 。g ) “2 a 2 k 厶。( 1 3 ) 其中a 是所观察辐射的波长，。是该辐射粒子基态的数密度，g ；和既为上下态能级 的统计权重，久和厶为共振能级“r ”的跃迁波长和，因子。这里的“r ”是所辐射 的上态或下态中的一个。 3 2 , 4v a nd e rw a a l s 加宽 该加宽是由于一个激发原子与数密度为。的基态中性原子问的偶极相互作用而 产生的谱线加宽。其宽度可写为。” ( 侧) a 8 1 8 x 1 0 。2 r ( a r 2 ) 2 肛( 瓦u ) ”n 。 ( 1 4 ) 其中a 为中性微扰体的平均原子极化率，口为辐射原子与中性微扰体原子的折合质 西北师范大学硕士研究生学位论文 量；r 2 = 2 一r 。2 为辐射原子上下能级坐标矢量平方平均值之差在c o u l o m b 近似 下，r v 2r l 2 可表示为 可。霹而n 1 ( 1 5 ) 其中有效量子数平方为 n ：2 。e 。( e 。一e j ) ( 1 6 ) 日，为该辐射原子的电离势，e ，为跃迁上或下能级的能量，e 。为h 原子的电离势， l ，为轨道量子数。 3 2 5d o p p l e r 加宽 由于辐射粒子的热运动而造成的谱线加宽为d o p p l e r 加宽，其值为 w 。= 7 1 6 1 0 。7 a 飘矿 ( 1 7 ) 其中t 和m 分别为气体热运动温度和辐射原子质量。 3 2 6 仪器加宽 仪器加宽是由于光的衍射效应造成的。测定仪器加宽的通常办法是用低压放电灯 或空心阴极灯等本身线宽很窄的光源作为辐射源，对该谱线进行波长扫描，从而确定 仪器加宽的线形。 3 3 连续辐射 3 3 1 韧致辐射 电子与电离度为z 的离子的二体碰撞产生的连续辐射的经典描述为 出p ) = n 2 堋p ) p o m ( 1 8 ) 这里2o n 。) 为离子密度， p ) 谢”为速度在”一 + d 之间的电子数，p p ) 为光谱 偏差，经典近似下为 p ( u ) 。赫 如果等离子体中的电子随能量的分布为，l 。( e 。) ，则其韧致辐射的谱强度为 9 ( 1 9 ) 第一章绪论 ( ”) ；a n 2f 。n ( 五。) e 。“2 d e 。 e r g c m - 3 s e c h z 4( 2 0 ) j o v 3 3 , 2 复合辐射 在等离子体中，离子爿2 与电离势，七t 下常会发生爿2 与电子复合，产生能量 大于z 2 的光子，即 爿。+ + e + e 。a ( 2 1 ) + + h v h v = e 。+ z 2 ( 2 1 ) 该复合辐射的截面可近似表达为 他，；半硎2 ， 其中e 。为电子能量，z 8 为h 电离能，z 2 为a “离子的电离能。 3 4 等离子体中电子温度的诊断 在l t e 近似下，原子或离子束缚态布居满足b o l t z m a n n 分布。谱线的强度或发射 率可写为 j ，= c o n 甜巩厶。一c o n s t g 。4 。，。e 一”( 2 3 ) e 。，g 。为跃迁谱线上能级能量和统计权重，。为跃迁几率，v 。为跃迁频率，k 为b o l t z m a n n 常数，r 为电子温度。在相同条件下，如果以某条谱线的强度值作为基 准l 。o ，其它谱线的强度l 。与，? 相比，再取对数 h f 罂】= c o n 豇一万e m 晔， 对谱线相对强度的对数值与既做b o l t z m a n n 图，用最小二乘方拟合求出其斜率， 即( 一1 k t ) ，便可确定电子温度r 。 第四节激光烧蚀c u 等离子体研究现状及意义 激光诱导等离子体在各科学研究领域应用的潜力越来越被人们所认识。了解和掌 握等离子体的形成机理和基本特性，对于正确有效地运用其解决科研和生产中的实际 问题，提高科学技术水平具有十分重要的意义。激光与物质相互作用与激光的特性( 能 量、脉宽、波长、焦斑大小) 、材料的性能( 光热性能) 以及背景气体和气压都有密切 1 0 西北师范大学硕士研究生学位论文 的联系，实验条件的改变对激光与物质相互作用过程会带来很大的影响。许多实 验显示，激光烧蚀现象中存在许多十分复杂的物理化学过程，要了解这些过程，也提 出了众多的数值模拟模型。这些模型提供了对烧蚀粒子特性、等离子体成分分布、等 离子体羽膨胀过程等许多有价值的信息。目前，对于激光等离子体激光基本特性的研 究，主要有以下几个方面： 1 、等离子体的形状 自从激光问世以来，人们广泛地研究了激光诱导等离子体的形成机理和条件。当 高能激光束作用于大气压下的固体表面上时，由于光热效应使光斑处温度达n 1 0 4 k 的量级，经数1 0 脚便产生一个空间等离子体，其特性是局部温度高、离子密度大、 气体压力大、空间直径小( 约l m m ) 。为了解和改善等离子体的特性，目前多在低真空 条件下研究等离子体的行为。k n i g h t 汹1 等人的实验表明，在一定的实验条件下，在空 气中形成的等离子体直径约为2 3 r a m ，而在7 x l o z p 口的c o ，气体中其直径约为 1 6 r a m 。 2 、等离子体的辐射 通过测量等离子体辐射来诊断其基本特性是直接有效的方法。g r a n t 。7 3 认为在激 光作用后，等离子体开始时辐射连续谱，接下来是离子线和原子线的辐射。黄庆举” 对脉冲n d ：y a g 激光器烧蚀金属铜过程中的烧蚀靶和吸收靶上电荷的时间分辨测量 发现，烧蚀靶上产生离子和高能电子，高能电子较离子率先从靶面射出，并且认为电 子的韧致辐射是激光诱导等离子体连续辐射的主要机制。宋一中等啪“1 利用时空分辨 技术采集激光等离子体的时间飞行谱，根据m 等离子体连续辐射强度的时间分布规 律，认为在激光脉冲作用到靶上的瞬间，韧致辐射占主导地位；在等离子体演化初期， 复合辐射和韧致辐射共同产生等离子体的连续辐射；在等离子体演化后期，其连续辐 射则主要是韧致辐射产生的。s i n g h 等人嗽1 利用时空分辨诊断技术，研究了脉冲激光 烧蚀不同气压下金属靶过程中产生的等离子体羽的特性：k u z u y a 等人用调q 的 n d ：y a g 激光器研究了激光能量和环境气体对激光诱导等离子体辐射特性的影响；宋 一中等人用n d ：y a g 激光器在激光能量为 1 4 5 m j 、压强为l o o p a 的环境中，实验研究 了触等离子体的连续辐射、连续辐射的吸收、舢原子谱线辐射的时间演化规律及其 相互之间关系。 3 、等离子体的电子温度和电子密度 第一章绪论 电子温度和电子密度是等离子体的重要参数，直接影响激光诱导等离子体的辐射 特性。g r a n t 研究了等离子体的电子温度和电子密度的分布，发现其均随观测高度的 增大以及环境气压的减小而减小，也有其他学者根据某一离子线的s t a r k 展宽以及原 子谱线的b o l t z m a n n 分布图，来分别求得等离子体中电子温度和电子密度，进而分析 等离子体的特性。 4 、等离子体的扩散速度 扩散速度关系到激光等离子体中样品粒子的浓度和滞留时间。安承武等利用光学 多道分析仪分析了影响激光诱导等离子体喷射速度的因素，认为喷射等离子体的飞行 速度主要依赖于作用在靶面上的激光能量密度。张树东等人。”在低真空条件下，从激 光烧蚀舢靶测得辐射粒子的速度在1 0 6 c t s 量级，且随靶面径向距离的增大而 近似呈指数衰减。在距离靶面相同距离处，激光功率密度的增大反而使速度减小，并 得 丑激波的波面基本为柱对称。b a l a z s 等。”由实验证明，激光微等离子体产生后将吸 收后续激光能量，使等离子体膨胀速度增大，约可达z 6 x 1 0 6 c m s 。 综上可知，尽管人们对激光诱导等离子体的形成、辐射、电子温度、电子密度、 膨胀速度等方面进行了有意义的研究与探讨，取得了长足的进展，但是，全面准确地 测定等离子体的基本特性尚需进行仔细的实验研究和理论分析。 参考文献： 【1 1 黄庆举，方尔梯，原子与分子物理学报，1 7 ( 2 0 0 0 ) ：6 3 6 5 【2 】宋一中，李亮，激光与红外，3 0 ( 2 0 0 0 ) 3 ：1 4 8 - - 1 5 0 3 】黄庆举，方尔梯，曾宪康，应用激光，1 9 ( 1 9 9 9 ) ：3 7 4 4 【4 1 b n e m e t ，l k o z m a ，s p e c t r o c h i m i c a a c t ap a r t b ，5 0 ( 1 9 9 5 ) ：1 8 6 9 1 8 8 8 【5 r s a t t m a n n ，v s t u r m , r n o l l ，上p h y s na p p lp h y s ，2 8 ( 1 9 9 5 ) ：2 1 8 1 - 2 1 8 7 6 ls t - o n g e ，m s a b s a b i ，p c i e l o ，a n a la t s p e c t r o m ，1 2 ( 1 9 9 7 ) ：9 9 7 - 1 0 0 4 【7 1j a a g u i l e r a , c a r a g o n ，f p e n a l b a ，a p p l s u 玎s c i 1 2 9 ( 1 9 9 8 ) ：3 0 9 - 3 1 4 【8 】陆同兴，路秩群，合肥：中国科学技术大学出版社，1 9 9 9 ：2 7 0 - 2 8 5 【9 m i l l e rj c ，h a g l u n dr f ，b e r l i n ：s p r i n g e r , 1 9 9 1 【1 0 s s h a f i l a l , l a p p c h e m ，8 1 ( 1 9 9 7 ) ：3 6 3 7 【1 1 】林丽云，王声波，郭大浩，吴鸿* ，激光与光电子学进展，4 1 ( 2 0 0 4 ) ：1 9 2 1 ! ! ! 塑蔓查兰塑主竺窭生兰堡堡茎 【1 2 h r g r i e m ，n e wy o r k ：a c a d e m i cp r e s s , 1 9 7 4 1 3 1 m - h k e y a n d r j h u t c h e o n ，a d v a n c e s i n a t o m i c a n d m o l e c u l a r p h y s i c s , 1 6 ( 1 9 8 0 ) ：2 0 1 【1 4 nk o n j e v i c ，聊s r e p ，3 1 6 ( 1 9 9 9 ) ：3 3 9 ( 1 5 r i c h t e r j ，a m s t e r d a m ：n o r t h - h o l l a n dp u n 、1 9 6 8 ， 1 6 g r i e m h r 月帆r e v ，1 3 1 ( 1 9 6 3 ) ：1 1 7 0 【1 7 m c w h i r t e r r w r ，n e wy o r k ：a c a d e m i cp r e s s 1 9 6 5 【1 8 j a c o b sv l ，d a v i sj , a s t r o p h y s j ，2 3 0 f 1 9 7 9 ) ：6 2 7 ( 1 9 w i l s o nr ，j l q u a n t s p e c t r o s c & r a d i a t t r a n s f e r2 ( 1 9 6 2 ) ：4 7 7 ( 2 0 b a t e sd r ，m c w h i r t e r r w e ，p r o c r s o c l o n d o n ，s e r a 2 6 7 ( 1 9 6 2 ) ：2 9 7 2 1 1d i m i t r i j e v i cm s ，k r s l j a n i nv ，a s t r o n a s t r o p h y s ，1 6 5 ( 1 9 8 6 ) ：2 6 9 【2 2 】d i m i t r i j e v i em s ，k o n j e v i cn ，a s t r o n a s t r o p h y s ，1 6 3 ( 1 9 8 6 ) ：2 9 7 f 2 3 1d i m i t r i j e v i em ss a h a l s b ，a s t r o n a s t r o p h y s s u p p l s e r 1 1 9 0 9 9 6 ) ：5 2 9 f 2 4 jd i m i 缸j e v i cm s ，s a h a ls b ，a s t r o n _ a s t r o p h y s s u p p l s e r ，1 2 2 ( 1 9 9 7 ) ：1 6 3 2 5 g r i e mh r ，n e wy o r k ：m c g r a w - h i l l ，1 9 6 4 f 2 6 k n i g h t a k , s c h e r b a r t h n k c m m e r s de ta 1 a p p l 。辆，2 0 0 0 ，5 4 0 ) ：3 3 1 2 7 】g r a n t k j ，p a u l g l , a p p l s p o c t r o s c ，4 4 ( 1 9 9 0 ) ：1 3 4 9 【2 8 壹t 庆举，方尔梯激光与红外。2 9 ( 1 9 9 9 ) ：2 0 5 2 9 3 黄庆举，方尔梯，激光与红外，2 9 ( 1 9 9 9 ) ：2 8 6 【3 0 宋中，李亮，激光与红外，3 0 ( 2 0 0 0 ) ：1 4 8 【3 1 】宋一中，李尊营，朱瑞富等光谱学与光谱分析2 2 ( 2 0 0 2 ) ：1 9 2 3 2 1s i n g h j p , z h a n gh a n s h e a g , y u e hf a o g - y ue ta 1 a p p ls p e c t r o s c ，5 0 ( 1 9 9 6 ) ：7 6 4 3 3 】张树东，张为俊物理学报，5 0 ( 2 0 0 1 ) ：1 5 1 2 ， 3 4 b a l a z sl a n a lc h e m ，6 3 ( 1 9 9 1 ) ：3 1 4 1 3 第二章课题相关知识 第一节实验仪器 一般地，激光烧蚀等离子体光谱的实验装置主要由真空系统，激光烧蚀源，光 谱测量系统三部分组成，但由于本文中主要针对空气环境中的等离子体现象，故真 空系统简略之。 1 、激光烧蚀源 激光烧蚀源为调q 的n d ：y a g 脉冲激光器，仪器的具体参数如表1 。其基频为 1 0 6 4 n m ，输出最大为9 0 0 m j p u l s e ，二倍频5 3 2 n m 的最大输出为3 6 0 m j p u l s e ，脉宽 l o n s 。激光经透镜聚焦垂直或4 5 度照射在处于真空腔中的固体靶上。金属靶由步 迸电机驱动而旋转，以避免靶上形成烧蚀坑。 表1 调o 的n d ：y a g 脉冲激光器的具体参数 脉冲y a g 激光器( d c r ，3p u l s e dn d ：y a ol a s e r ) 规格d c r 一3 ( 衍射耦合共振腔一3 ) 制造商美国光谱物理公司( s p e c t r ap h y s i c s ) 脉冲能量( m j 膊值功率( m w ) 波长( n m )脉宽( n s ) 脉冲能量稳定性 l p p s1 0 p p s2 0 p p s3 0 p p s 1 0 6 47 91 9 0 0 ，1 1 09 0 0 1 1 03 0 0 1 0 07 0 0 8 5 5 3 25 73 3 6 0 6 03 6 0 6 03 0 0 5 02 5 0 4 0 空间模式近高斯，无穴，近衍射极限，7 m m 直径 1 0 6 4 n m 线宽 0 2 5 a 发散度 9 9 9 ) ，铜靶的直径为3 0 r a m 、厚 度为1 5 r a m ，在一步进电机的驱动下绕轴匀速旋转。激光重复频率为3 h z ，实验是在 一个大气压的空气中下进行的。 烧蚀产生的发射光谱由透镜收集，经光纤传输再被一柱面透镜聚焦单色仪的狭缝 上。透镜到探测区和到光纤头的距离相等，即l ：1 成像。水平调节光阑的位置，可摄 1 7 第三章空气中激光烧蚀c i i 产生等离子体发射光谱的研究 取离靶面不同距离的空间分辨谱，探测系统的空间移动精度约为l o o p 口n 。由激光器输 出的臼开关同步脉冲信号同时去触发快速脉冲发生器和光学多道分析仪( o m a ) 的控 制系统。快速脉冲发生器发出高压脉冲使o b l a 的光电探头选通3 5 n s 的曝光时间，则可 获得高分辨率的等离子体光谱，经光电转换后送控制处理系统在计算机上输出光谱。 2 实验结果和分析 2 1 等离子体发射光谱分析 在激光功率密度为1 4 8 x 1 0 ”w c m2 的条件下测量了波长范围为4 4 0 5 4 0 n m 的 c u 等离子体发射光谱，如图2 所示。等离子体的光谱特征是在连续谱上迭加着一系列 的分立谱线。连续谱来源于热电子的韧致辐射和电子一离子