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

摘要 随着脉冲激光烧蚀技术在各相关研究领域日益广泛的应用，脉冲激光与固体靶材 的相互作用机制越来越引起有关学者的兴趣，其中包括激光等离子体的形成，样品材 料的表面烧蚀，不同成份的蒸发和激发等。这些过程与脉冲激光的性质( 如能量、脉 宽、波长和作用时间等) 、样品的物理与化学特性、环境条件以及缓冲气体等诸多性 质密切相关，非常复杂，人们往往采用改变作用条件的方法，诸如不同的激光波长、 脉宽、强度、靶材料和环境气体的压强以及其他因素，对靶的烧蚀速率、产物的平均 动能以及产物的光辐射规律等进行大量的研究，但目前这些了解尚不完全，烧蚀粒子 的能量状态、时空行为及相关机制也有待进步揭示和完善。本文通过激光烧蚀、同 时外加电场等方法产生发射光谱，研究了金属c u 、a i 等离子体的一些基本特征，主 要内容有： ( 1 ) 激光诱导c u 产生等离子体的发射光谱研究 在背景气体时气下激光诱导c u 产生等离子体，观察了其空间分辨发射光谱。 采用的激光能量为3 5 0 m j p u l s e ，波长范围为4 4 0 n m 5 4 0 n m 。在局部热力学平衡( l t e ) 条件下，根据谱线的相对强度，得到了等离子体的电子温度在1 0 4 k 以上。研究了原 子发射谱线强度、电子温度和半高全宽( 吁玎讧) 随空间、缓冲气体压力变化的规律。 结果表明，在1 0 0 k p a 的旬气中和5 0 k p a 相比，铜的原子特征谱强度降低而连续谱强 度增加，同时氩离子谱线强度也相应增加，同时缓冲气压的增大还导致谱线宽度的增 大。 ( 2 ) 外加电场下激光诱导a l 产生等离子体的光谱研究 由调q n d ：y a g 脉冲激光( 波长1 0 6 i n n ，脉宽1 0 n s ) 烧蚀a 1 靶产生等离子体。 观测了在低气压和直流电场条件下的a 1 等离子体发射光谱。研究了直流电场下激光 功率密度和外加电压对各谱线强度的影响，分析了谱线半高全宽与外加电压，等离子 体电子温度与激光能量的变化规律。结果表明，直流电场对铝原子谱线强度有显著的 增强，铝原子谱线的半高全宽与直流电场的外加电压基本上呈线性关系。 关键词：激光烧蚀，空间分辨光谱，直流电场 i l a b s t r a c t i nv i e wo fl a s e r - a b l a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e da sv a r i o u sr e s e a r c hd o m a i n s ，t h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo fal a s e r - p u l s e dw i t hs o l i dt a r g e t sa r o s et h ei n t e r e s t i n go fm o r ea n d m o r er e l e v a n ts c h o l a r s ，i n c l u d i n gl a s e rp l a s m af o r m a t i o n , a b l a t i o no ft h es a m p l es u r f a c e ， v a p o r i z a t i o na n de x 5 c i t a t i o no fd i f f e r e n ts p e c i e s t h ep r o c e s s e sa r ek n o w n t od e p e n do ut h e l a s e rp u l s ec h a r a c t e r i s t i c s ( s u c ha se n e r g y , p u l s ed u r a t i o n , w a v e l e n g t h ，i n t e r a c t i n gt i m ea n d s oo n ) ，t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs a m p l e s ，e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o na s w e l la sb u f f e rg a s t h ep r o c e s s e sa r er a t h e rc o m p l e x m a n ys c h o l a r sh a v eh a dp l e n t i f u l r e s e a r c ho nt h ea b l a t i n gr a t eo ft a r g e t ，a v e r a g ek i n e t i c ，e n e r g yo ft h ep r o d u c t i o na n dr a y r a d i a t i o nl a wo ft h ep r o d u c t i o nb yt h ew a yo fc h a n g i n gt h ei n t e r a c t i n gc o n d i t i o n ，i n c l u d i n g l a s e rw a v e l e n g t h ，p u l s ed u r a t i o n ，i n t e n s i t y , t a r g e tm a t e r i a la n dt h ep r e s s u r eo fe n v i r o n m e n t g a sa n do t h e rf a c t o r s t h ec o m p r e h e n s i o ni ss t i l ln o tv e r yc l a d t ya tp r e s e n t t h ee n e r g y s t a t eo fa b l a t i n gp a r t i c l e ，t i m e s p a c ea c t i o na n dt h e i rr e l e v a n tm e c h a n i s mn e e dt ob e r e v e a l e da n dp e r f e c t e dg r a d u a l l y i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cc h a r a c t e ro fc ua n da 1p l a s m aa r e s t u d i e db yt h ee m i s s i o ns p e c t r u mw h i c hi sp r o d u c e di nt h ec o n d i t i o no fl a s e ra b l a t i o na n d a d d i t i o n a le l e c t r i cf i e l d f o l l o w i n ga r ct h ed e t a i l s ( 1 ) t h er e s e a r c ho fl a s e r i n d u c e dc up l a s m ae m i s s i o ns p e c t r u m l a s e ri n d u c e dc up l a s m ai na rb u f f e rg a sa r es t u d i e d t h es p a c e - r e s o l v e ds p e c t r aa r e m e a s u r e di nt h ew a v e l e n g t ho f4 4 0 n m 5 4 0 n ma tt h e3 5 0 m j p u l s eo fl a s e re n e r g y u n d e r t h em o d e lo fl o c a lt h e r m o d y n a m i ce 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 e so 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 el i n ei n t e n s i t i e s t h ed e p e n d e n c eo f e m i s s i o ns p e c t r al i n ei n t e n s i t ya n de l e c t r o n i ct e m p e r a t u r ea n df w h m ( t h ef u l lw i d t hh a l f m a x i m u m ) o nt h es p a c ea n dp r e s s u r eo fb u f f e rg a sa r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t i n t e n s i t yo ft h ec us p e c t r a ll i n e sd e c r e a s eb u tt h ei n t e n s i t yo f t h ea ri o ns p e c t r a ll i n e sa n d b a c k g r o u n di n c r e a s ec o m p a r i n gt h ep r e s s u r eo f1 0 0 k p aw i t h5 0 k p ai na ra m b i e n tg a s a t t h es a m et i m e ，t h eb r o a d e n i n gi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ep r e s s u r eo fb u f f e rg a s ( 2 ) a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ep r o p e r t i e so fl a s e r - i n d u c e da 1p l a s m au n d e r a d d i t i o n a le l e c t r i c 丘e l d t h ep l a s m ai s p r o d u c e d b ya b l a t i n g a 1 t a r g e t w i t hq - s w i t c hn d ：y a gl a s e r ( w a v e l e n g t h1 0 6 ，p u l s ew i d t h1 0 n s ) a 1e m i s s i o ns p e c t r u ma r eo b s e r v e di nt h el o w a i rp r e s s u r ea n dt h ed i r e c te l e c t r i c i t yf i e l d t h ei n f l u e n c eo ft h es p e c t r a ll i n ei n t e n s i t yi n i l l v a r i o u sl a s e rp o w e rd e n s i t ya n dd i r e c te l e c t r i c i t yf i e l di ss t u d i e d t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r e o fp l a s m ai nv a r i o u sl a s e rp o w e rd e n s i t ya n df w h mo ft h es p e c t r a ll i n ei nd i r e c t e l e c t r i c i t yf i e l da r em e a s u m d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p e c t r a ll i n ei n t e n s i t yo f a la t o mi s i n c r e a s e dp r o m i n e n t l yi nd i r e c te l e c t r i c i t yf i e l d t h ef w h mo fs p e c t r a ll i n eo ra la t o mi n v a r i o u sa d d i t i o n a lv o l t a g eo fd i r e c te l e c t r i e i t yf i e l di sl i n e a r k e yw o r d s ：l a s e ra b l a t i o n ；s p a c e r e s o l v e ds p e c t r a ；d i r e c te l e c t r i c i t yf i e l d 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：日期： 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：叠墨垫导师签名：袁翌 日期： & 一l 。 西北师范大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 利用高强度的脉冲激光对材料烧蚀所获得的瞬变等离子体，长期以来都是研究激 光与物质相互作用的重要课题。激光烧蚀是指激光能量在金属、塑料等材料中的沉积 足够强时，材料表面层局部区域会发生熔融以至汽化而使材料表面发生质量迁移的现 象【1 】强激光脉冲辐照固体材料将引起材料烧蚀，从靶面溅射出大量电子、原子、分 子、原子分子簇以及它们的正负离子，因此激光诱导等离子体的形成过程是一个相当 复杂的过程，它与激光、固体样品以及缓冲气体的诸多性质密切相关 2 1 。人们往往采 用改变作用条件的方法，诸如不同的激光波长、脉宽、强度、靶材料和环境气体的压 强以及其他因素，对靶的烧蚀速率、产物的平均动能以及产物的光辐射规律等进行大 量的研究，但目前这些了解尚不完全，烧蚀粒子的能量状态、时空行为及相关机制也 有待进一步揭示和完善。 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。其通用性可以从它在环境、工业、地质勘探、 太空探索、艺术、医学、牙科领域的应用中得到广泛认同，并且很多已经应用到在线 和远程实时分析。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。 c u 和赳都是重要的金属材料，同时也是自然界容易获取的固体材料。激光烧蚀c u 和灿等离子体光谱的研究，不论是对等离予体的基本特征及本身规律的认识，还是 它们在其它领域的应用，如y b a 2 c u 3 0 7 薄膜材料的研制、a 1 n 薄膜材料制备等，都具 有重要价值。本文主要研究了激光烧蚀囟、m 等离子体发射光谱，来探索烧蚀等离 子体的基本特征及一些实验条件的影响。 1 2 激光诱导等离子体的国内外研究现状【3 】 随着激光在应用上的迅速发展，人们对激光烧蚀溅射技术进行了大量的研究。激 光聚焦到样品表面烧蚀金属靶产生的等离子体己经作为光源应用到原子光谱学和化 学分析上了【4 1 。为进一步开发这种技术的应用，还需继续研究和改善激光等离子体的 第一章绪论 特性。 1 2 1 激光诱导等离子体的基本特性 1 等离子体的形状 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) 和材料性能( 光热性能) 以及背景气体都有密切的联系，尤其是不同的气 体和压力对激光与物质相互作用过程会带来很大的影响【5 1 1 1 。k n i g h t 1 0 】等人的实验表 明，在某一确定条件下，在空气中形成的等离子体直径约为2 3 硼，而在5 t o r r 的 c o 。气体中其直径约为1 6 r a m 。l i d a “3 也从实验结果发现，在低气压a r 环境下，发射区 域扩大了几十毫米。 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一种非常有效的手段，g r a n t 1 2 】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。宋一 1 3 , 1 4 1 和黄庆举【1 5 , 1 6 等利用时空分辨技术对m 、c i l 等离子体的发射光谱进行分析， 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，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由韧致 辐射产生的。 激光等离子体的辐射受环境气体和气压的影响也是明显的。满宝元等人【1 7 1 在研究 脉冲激光烧蚀不同气压下金属a 1 靶产生的等离子体羽的特性发现，在大气压力下观 测不到朋2 + 离子的信号，而在真空条件下能清楚地观察到。k n i g h t 等人【1 0 l 用n d ：y a g 激光诱导空气环境中烈合金样品时发现，当气压从z 9 x 1 0 4 降至5 3 x 1 0 3 1 3 x 1 0 4 p a ， 信号强度增加3 。4 倍，而气压再降低则信号减弱。u d a 【5 】用红宝石激光a o 5 j ，2 0 n s ) 研究等离子体发射谱线特性时发现，在低压a r 气环境中发射时间延长了l o o m s 以上， 与同气压下空气环境相比，发射强度增大了几倍。 激光能量的变化对样品的蒸发与激发条件的影响也是极大的。b u d i 等人1 1 8 】利用 调q 的n d ：y a g 激光器研究z n 和c u 的激发机制时发现，在激光能量为8 8 6 m j ， 环境气压低于6 7 1 0 3 p a 条件下，等离子体发射的原子线强于离子线，信背比较高， 但是当激光能量和气压升高时，信背比会降低。综上说明，对某种靶材而言，在合适 的激光能量和环境气体及压力下可获得最大的激光诱导等离子体的特征辐射。 3 等离子体的电子温度和电子密度 电子温度( t e ) 和电子密度( n e ) 是等离子体的重要参数，直接影响激光诱导等离子 2 西北师范大学硕士研究生学位论文 体的辐射特性。g r a n t 【1 2 1 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，也有一些学者根据其某一离子线的 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的电子温度和电 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问。b a l a z s 等【1 9 删由实 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2 4 1 0 s c m i s 。张树东等人【2 1 1 在低真空条件下，从激光烧蚀a l 靶测得辐射粒子 a l 的速度在1 0 r n 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。安承武掣1 1 l 利用光学多道分析仪 ( o m a ) 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。 1 2 2 激光诱导等离子体在物质成分分析中的应用 近年来。在激光光谱分析技术方面，直接利用激光等离子体的特征辐射对固体样 品、液体样品和气体样品的痕量元素分析已经取得了极大的进展，在材料科学、环境 科学、地球科学、生命科学、商品检验等各行各业得到了广泛的应用。早期的激光显 微发射光谱分析( l 巳s ) 技术是用摄谱法记录等离子体的积分辐射，光谱自吸严重， 谱线变宽且背景较深。之后多采用辅助火花放电对激光等离子体进行二次激发的方 法，改善了光谱的品质，但是检测能力差、分析精度低的问题依然存在。随着光谱仪 器更新换代和计算机技术的飞速发展，人们采用时空分辨技术，并改变环境气体种类 和压力，用激光等离子体的特征辐射进行物质成分分析正在显示出其优越性。近年来， 许多分析工作者利用所谓l i b s l 2 2 - 2 9 ( l a s e ri n d u c e db r e a k d o w ns p e c t r o s c o p y ) ，l i p s 3 0 , 3 1 】( l a s e ri n d u c e dp l a s m as p e c t r o s c o p y ) 以及l i s p s 3 2 - 3 5 1 ( l a s e ri n d u c e ds h o c k w a v e p l a s m as p e 咖s c o p y ) 进行了多种物质中成分元素的光谱分析。 1 固体样品分析 利用高光束质量的激光聚焦到固体表面，并使样品对光束相对移动时，可以测量 出固体中的各种元素含量及空间分布情况，因此这是一种重要产品质量分析与检验手 段。d r o g o f f 等人 2 5 1 用超短脉冲激光烧蚀铝合金靶产生等离子体，观察了a 1 、m g 和 f e 的原子和离子发射谱线的时间演化行为。结果表明，在短脉冲下，连续谱和特征 3 第一章绪论 谱的衰减比长脉冲下要快；等离子体寿命比长脉冲下要短。并且分析了等离子体的电 子密度、激发温度和离化温度的时间演化规律。 s t r a i t s 等人用双激光脉冲发展了一种能够有效提高等离子体辐射强度的新方 法。在操作技术中，首先用一束平行于样品表面的脉冲激光在样品表面上方几m i l l 处 聚焦，产生一个空气等离子体，几阳后，另一法向激光束经过空气等离子体聚焦于 样品表面上，形成用于光谱分析的等离子体。用l i b s 方法研究铜和铅样品时，测得 信号强度比没有空气等离子体时分别提高了1 1 和3 3 倍，样品诱导量也相应增大。 2 液体样品分析 激光火花也可以在液体中产生，因此用激光火花的发射光谱可以对液体中的元素 进行分析。由于工业的发展，工业污水的检测和处理日益受到人们的重视。污水中的 各种重金属和其它有害物质的光谱检测为我们对污水的处理提供了非常重要的数据。 目前，我国许多学者已经对污水中重金属的光谱检测做了较多的研究，但有些方面在 技术和方法上仍有待提高和改善。 3 气体样品分析 详细了解我们的大气和确定大气组分的各种光化学或碰撞过程，对于人类非常重 要。因为在密集的工业区空气污染已成为严重的问题，所以研究污染和它们与大气中 自然成分的相互作用也成为当务之急的需要。激光光谱学的各种技术都能成功地用于 大气和环境研究：直接吸收测量，激光感生荧光，自发喇曼散射，或者相干反斯托克 斯喇曼光谱学都能应用于实地测量或遥感。 1 3 主要研究内容 近年来，激光烧蚀固体表面而诱导的等离子体的研究已引起人们的极大兴趣，在 薄膜激光溅射技术、同位素激光富集技术、激光痕量分析技术、表面可蚀和改性以及 非晶纳米晶化等研究中都涉及到激光诱导等离子体问题。激光与材料相互作用因光吸 收、反射、辐射、热辐射、热传导以及光电效应、等离子体效应与溅射效应等，使表 面与光辐射之间的交换变得相当复杂。我们的工作主要是： ( 1 ) 在加为缓冲气体气下激光诱导c u 产生等离子体，观察其空间分辨发射光 谱。在局部热力学平衡( l t e ) 条件下，根据谱线的相对强度，得到了等离子体的电 子温度在1 0 4 k 以上。研究了原子发射谱线强度、电子温度和半高全宽( f w h m ) 随 空问、缓冲气体压力变化的规律。 4 西北师范大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 由q n d ：y a g 脉冲激光( 波长1 0 6 o n ，脉宽1 0 n s ) 烧蚀a 1 靶产生等离子体。 观测在低气压和直流电场条件下的a 1 等离子体发射光谱。研究了直流电场下激光功 率密度及外加电压对各谱线强度的影响，分析了谱线半高全宽与外加电压，等离子体 电子温度与激光功率密度的变化规律。 参考文献： 【1 】孙承伟，激光辐照效应，国防工业出版社，( 2 0 0 2 ) 【2 】发射光谱分析，冶金工业出版社 【3 】3 赵书瑞，高能量激光诱导等离子体的谱线品质研究，硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 【4 】h ojrg r i g o r o p o u l o sc ej a p p l i e ds p e c t r o s c o p y , 1 9 9 1 ，4 5 ( 9 ) ，1 4 6 3 【5 】yl i d a ，a p p l i s p e e t r o s e 1 9 8 94 3 ( 2 ) ，2 2 9 【6 】mo w e d sa n d v m a j i d i ，a p p n s p e e t r o s c 1 9 9 14 5 ，1 4 6 3 【7 】r q a u e e l i o ，b c c a s t l e , b w s m i t h , a n dj d w m e f o r d n e r ，a p p l i s p e c t r o s c 2 0 0 0 5 4 ( 6 ) ，8 3 2 【8 】满宝元，王公堂，等光谱学与光谱分析1 9 9 81 8 ( 4 ) 4 1 1 【9 】mc a e t a n o ，xm a n ，rer u s s o ，s p e c t r o c h i m a e t ab a nb ，1 9 9 65 1 ，1 4 7 3 【l o a k k n i g h t , n l s e h e r b a r t h ，d c r e m e r s ，a n d m j f e r r i s ，a p p l i s p e c t r o s c 2 0 0 0 5 4 ( 3 ) ，3 3 1 【1 1 】安承武，王又青，宋文栋中国激光，1 9 9 6 a 2 3 ( 8 ) , 1 9 2 【1 2 】k j g r a n t ，g l p a i l l ，a p 灿s p c c t r o s c 1 9 9 0 4 4 ，1 3 4 9 【1 3 】黄庆举，方尔梯激光与红外，1 9 9 92 9 ( 4 ) ，2 0 5 【1 4 】黄庆举，方尔梯激光与红外，1 9 9 92 9 ( 5 ) ，2 8 6 【1 5 】宋一中，李亮激光与红外，2 0 0 03 0 ( 3 ) ，1 4 8 f 1 6 】宋一中，李尊营，朱瑞富，王建华光谱学与光谱分析，2 0 0 2 2 2 c 2 ) ，1 9 2 【1 7 】满宝元，王公堂，刘爱华等光谱学与光谱分析，1 9 9 81 8 ( 4 ) ，4 1 1 【1 8 】w s b e d i ，w t b a k o r o ，m p a r d e d ee t a l a p p l s p e c t r o s c 1 9 9 9 ，5 3 ( 1 1 ) ：1 3 4 7 【1 9 】lb a l a z s a n a l c h e m 1 9 9 1 ，6 3 ，3 1 4 2 0 】avp a k h o m o v , lb a l a z s , rg o b d s t h e1 9 9 0w i n t e rc o n f e r e n c eo i lp l a s m as p e e t r o c h e m s t r y s t p e t e r s b u r g f lu s a , 1 9 9 0 ，8 ( 1 3 ) 【2 1 】张树东，张为俊物理学报。2 0 0 1 ，5 0 ( 8 ) ：1 5 1 2 【2 2 k j g l a n t ，g l p a u le t a l a p p l s p e c t r o s c 1 9 9 6 ，5 0 仍：8 8 0 5 第一章绪论 【2 3 】a vp a k h o m o v , wn i c h o l s ，jb o r y s o w a p p l s p e c t r o s c 1 9 9 5 ，4 9 旧：8 5 7 【2 4 】d a c r e m e r s , j e b a r e f i e l d ，a c k o s k e l o a p p l s p e e t r o s c 1 9 9 5 ，4 9 ( 6 ) ：8 5 7 【2 5 】b l ed r o g o f f , j m a r g o t , m c h a k e r c ta 1 s p e c t r o c h i m i c as c t ap a r tb 2 0 0 1 ，5 6 ( 3 ) ：9 8 7 1 0 0 2 【2 6 k y y a m a m o t o ，d a c r e m e r s ，m j f e n i sc ta 1 a p p l s p e e t r o s c 1 9 9 6 ，5 0 ( 2 ) ：2 2 2 【2 7 mt r a n ，bws m i t h ，dw h a h ne ta 1 a p p l s p e c t r o s e 2 0 0 1 ，5 5 ( 3 ) ：2 7 3 f 2 8 d n s t r a i t s ，k l i s l a n d s m a n g e l 2 0 0 1 ，5 4 ( 9 ) ：1 2 7 0 【2 9 】e k i m ，k j y o o h k p a r k e t a l a p p l s p e e t r o s e 1 9 9 7 , 5 1 ( 1 ) ：2 2 t 3 0 mt r a n ，0s u n ，bw s m i t he ta 1 a p p l s p e c t r o s e 2 0 0 1 ，5 5 ( 1 1 ) ：1 4 5 5 3 1 】mm a r t i n ，c h e n gm e n g - d a w n a p p ls p e c t r o s e 2 0 0 0 ，5 4 ( 9 ) ：1 2 7 9 3 2 】hk u m i a w a n , kk a g a w a ，mo k a m o t oe ta 1 a p p l s p e c t r o s e 1 9 9 6 ，5 0 ( 3 ) ：2 9 9 3 3 】mp a r d e d e ，hk u m i a w a n ，mot j i ac ta 1 a p p l s p e c u o s c 2 0 0 1 ，5 5 ( 9 ) ：1 2 2 9 3 4 】h n i a w a n ，k l a h a n ，t j l i ee t a l a p p l s p e c t r o s c 2 0 0 1 ，5 5 ( 1 ) ：9 2 1 3 5 】kk u m i a w a n ，sn a k a j f i m a , jeb a t u b a r ae ta 1 a p p l s p e c t r o s e 1 9 9 5 ，4 9 ( 8 ) ：1 0 6 7 6 西北师范大学硕士研究生学位论文 第二章基本理论概述和仪器简介 等离子体( p l a s m a ) 是一种带电粒子密度达到一定程度的电离气体，它由电子、 离子和中性粒子三种成份所组成。其中电子和离子的电荷总数基本相等，因而作为整 体是电中性的。其中以激光为能源产生的等离子体称为激光等离子体。 2 1 激光诱导等离子体概述 2 1 1 激光烧蚀固体表面产生的等离子体【 】 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，包含着原予、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，各种粒子将进一步分解与复合，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。如图2 - 1 。 2 1 2 激光在等离子体中的传播【4 】 高功率激光照射靶物质时，部分激光能量被吸收，导致靶物质被加热、电离而产 生热等离子体。激光在等离子体中传播的同时，通过各种机制，其能量能够部分地被 等离子体吸收，激光强度逐渐减弱。因此，激光在等离子体中传播的研究应该和这些 吸收机制同时考虑。但是，激光在等离子体中的吸收机制很多，又很复杂。激光的吸 收可以分为正常吸收和反常吸收两大类。正常吸收是指由等离子体中粒子之间的碰撞 引起的吸收。处于激光场中的电子随着激光电场进行高频振荡，一旦和其他粒子发生 碰撞，这一振荡动能就会变成等离子体的无规运动的能量热能，这就是逆轫致吸收 过程。逆轫致吸收是激光吸收的重要机制。但是反常吸收过程却要复杂得多。所谓反 常吸收是指激光能量通过多种非碰撞机制部分地转化为等离子体其他形式的波的能 量。在不考虑外加磁场的情况下，这些波主要是静电等离子体波和离子声波，它们通 过不同的耗散机制也能转化为等离子体无规运动的能量。反常吸收又可以分为共振吸 收和多种非线性的参量不稳定性吸收。无论如何反常吸收过程很难在激光传播的问题 中认真考虑。但是从激光能量损失这一角度看，这些过程可以相应于某种等效碰撞频 率。 2 1 3 等离子体形成机制1 5 j 7 第二章基本理论概述与实验装置 高功率激光辐照各种气体、液体或固体靶，使部分靶介质转变为等离子状态的主 要机制： 1 ) 光电离。原子中的电子受到激光辐射时，由于光电效应或多光子效应吸收足 够的光子能量而发生电离； 2 ) 热电离。高温下热运动速度很大的原子相互碰撞。使其电子处于激发态，其 ， 中一部分电子的能量超过电离势而使原子发生电离； 3 ) 碰撞电离。气体中的带电粒子在电场作用下加速并与中性原子碰撞，发生能 量交换，使原子中的电子获得足够能量而发生电离。 2 1 4 等离子体羽形成的微观机理【7 】 在激光烧蚀固体靶过程中，当激光功率密度达到一定阈值，便会产生等离子体， 其产生的微观机理可分为两步： 第一步，当结果照射在金属表面，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品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 出的物质进一步加热、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 处于基态的原予分子的多光子电离同时存在。如图2 - 2 。 域3 图2 1 等离子体的产生图2 - 2 金属靶表面产生的激光等离子体羽 2 1 5 等离子体的辐射机制【8 1 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 8 西北师范大学硕士研究生学位论文 高温与高度电离状态下，原子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2 - 5 是等离子体条件下的类氢离子的能级图。 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 韧致辐射( 自由一自由) ：轫致辐射是指自由带电粒子的运动速度发生变化时伴 随产生电磁波的过程。等离子体中自由电子的运动速度远远大于离子速度，因而可以 把离子看成是不动的背景粒子。当自由电子在运动过程中靠近离子时就会受到离子库 仑场的作用，运动速度发生变化，主要是改变运动方向，同时辐射出光子。电子在辐 射出一个光之后，往往还有足够的动能离开离子继续前进，如图2 - 3 所示。由于电子 跟离子碰撞前后，电子都是自由电子，因而轫致辐射也叫自由一自由辐射。轫致辐射 的光谱是连续光谱。 3 复合辐射( 自由一束缚) ：电子与离子相碰撞时，电子可能被离子捕获复合成 为中性粒子，并将多余能量以光子形式释放出来( 图2 - 4 ) 。这个过程叫复合辐射。复 合辐射的光谱也是连续的。所以在实验中测量到的等离子体连续光谱是轫致辐射和复 合辐射之和。当等离子体中电子温度较低时，复合辐射就显著，因为这时电子运动速 度较慢，遇到离子容易捕获。复合辐射功率密度跟随原子序数的四次方即z 4 成正比。 当电子温度很高时，连续光谱中轫致辐射是主要的，因为这时电子运动速度快，不容 易被离子捕获，自然不容易发生复合辐射1 9 】。 吣，磅ov 7 光子 图2 3 轫致辐射 图2 - 4 复合辐射 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 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 9 第二章基本理论概述与实验装置 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。 r e 0曼冀爱姜量奠寰寰豢莓兰 董0 ，蔓- - ，童x - 二0 ，) * e 0 簟嚣善毒曼冀譬套羔冀：奠冀 善善皇寞冀摹善曼寰爱摹鼎 一一一2 ：。 n 0 图2 - 5 等离子体中的一些可能跃迁能级 连续区 j - 准连续区 j 分立能级 j 7 基态 2 2 局部热平衡( l t e ) 模型 该近似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，该分布由s a h a 方程描述 簪一2 端哇挲c x p ( _ 笔等) m 面百叱诵r 唧i 一fj u j 其中n e 为电子密度，n 2 为电离度为z 的离子密度，u 2 ( t ) 为电离度为z 的离子的 配分函数，矿为电离度为z 的离子的电离势，觑2 为z “和z 2 的电离势之差。关 于配分函数“”，l t e 模型的判据文献 1 1 】等有许多讨论。m c w h i r t e r “2 1 给出适用于l t e 模型的判据为 e 1 6 x 1 0 1 2 疋2 x 0 , ，口) 3( 2 ) 这里t 为电子温度，n 。为电子密度，z 0 , ，g ) 为所考虑的离子的最大能量差。 自由。准连续 = li卜+= 自由束缚 “ ii1lii珥j，叶i 自由自由 =廉缚束缚 西北师范大学硕士研究生学位论文 2 3 谱线的增宽机制和光谱线型 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原因，再从光谱线形中解析出有用的信息，等离 子体谱线加宽主要为自然增宽、碰撞增宽、多普勒( d o p p l e r ) 增宽、共振增宽和仪 器增宽等。 2 3 1 光谱线的自然增宽 在一般的论述中，认为辐射跃迁的跃迁频率为某一确定值，因而发射或吸收单色 光，而实际情况并非如此，辐射跃迁发生在一定的频率范围内，即跃迁谱线不是无限 窄，而是具有一定的宽度。由能量时间的测不准关系 a e a t 矗 ( 3 ) 可知跃迁发生在一定的能量不确定范围中，即光谱线具有一定的宽度，称静止自由原 子的能级宽或谱线宽为自然宽度。 在辐射跃迁中，跃迁的上、下能级的不确定范围都服从测不准关系，因而自发辐 射的谱线仍具有一定的宽度。两个能级i n ，n 问的跃迁，其自然加宽为 w l ( c m ) ；卯( 以k + 如) z , w ( 4 ) 其中4 k 是态腿向任何允许的挪态跃迁的几率。如果m ，矗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 m 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。 由量子力学f 1 司可以证明，自然展宽引起的谱线强度分布具有下列的形式 s ( h v ) 。击 ( 5 ) 其o e v 。是谱线中心的频率，