飛秒激光誘導(dǎo)等離子體診斷與光譜線型研究.pdf

1、當(dāng)激光脈沖作用到靶材時，會在短時間內(nèi)使靶材表面熔化、蒸發(fā)、電離，產(chǎn)生電離態(tài)氣體，我們稱之為激光誘導(dǎo)等離子體（Laser-induced Plasma，縮寫LIP）。探測LIP發(fā)射光譜，實現(xiàn)等離子體診斷，也對靶材成分進行測定。LIP具有快速檢測、靶材損傷少、遠(yuǎn)距離監(jiān)控等優(yōu)點。對LIP光譜線型的分析，有助于理解等離子體譜線的展寬機制，也對等離子體特性有一個更清晰的認(rèn)識。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）在材料加工、診斷檢測以及空間應(yīng)用方面具有

2、較高的應(yīng)用價值。飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（fs-LIBS）具有低擊穿閾值、低大氣干擾等優(yōu)點，隨著航空技術(shù)的進步，這一技術(shù)在宇宙探索上的應(yīng)用也將成為熱點之一。
　　我們利用Origin8.0對光譜進行擬合。大多數(shù)人通過Lorentz線型來擬合譜線，而部分研究者用Voigt線型。我們對實驗中采集到的光譜進行擬合，通過比較實際光譜線型與擬合線型，選擇較為合理的擬合線型函數(shù)。因為碰撞展寬和自然展寬可以由Lorentz線型來描述，Doppl

3、er展寬和儀器展寬可以由Gauss線型來描述，所以找出擬合譜線的合理線型可以幫助我們理解等離子體光譜譜線的展寬機制。由于等離子體的內(nèi)外溫度不均勻，當(dāng)較高溫的等離子體中心輻射出的光子穿過較低溫的等離子體邊緣區(qū)域時，輻射的光子會被較低能級的同種原子或離子吸收，導(dǎo)致光譜強度降低，我們稱這種現(xiàn)象為自吸收現(xiàn)象。光譜的自吸收現(xiàn)象會使等離子體診斷出現(xiàn)誤差，因此分析和理解等離子體光譜自吸收的機理是非常必要的。
　　本文采用飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生鋅和銅等

4、離子體，利用Origin8.0處理光譜數(shù)據(jù)，通過時空分辨光譜技術(shù)實現(xiàn)對等離子體的診斷，探討離焦量對自吸收的影響。我們的主要工作是：
　　1、在環(huán)境氣壓分別為10Pa、103Pa和105Pa時對飛秒激光誘導(dǎo)Zn和Cu等離子體的譜線線型作出分析。我們發(fā)現(xiàn)在等離子體膨脹的過程中，只用通常的Lorentz線型對譜線進行擬合是不準(zhǔn)確的。在等離子體膨脹初期，運用Lorentz和Voigt擬合的結(jié)果較好，后期Gauss和Voigt擬合的效果較好

5、。因此用Voigt函數(shù)來擬合等離子體的光譜較為準(zhǔn)確。我們通過分析Voigt擬合中譜線半高寬Gauss和Lorentz成分的時間演化，發(fā)現(xiàn)在膨脹初期碰撞展寬占主要機制，隨后儀器展寬占主要機制。因此，只利用Lorentz擬合得到的在膨脹后期的Stark展寬是不準(zhǔn)確的。據(jù)我們看來，Voigt擬合所得Lorentz成分的展寬使LIP的Stark展寬物理圖景更加清晰。在10Pa、103Pa、105Pa氣壓下，我們計算了Zn和Cu等離子體的電子溫度

6、Te、密度Ne。由其隨時間的演化圖線可知Te、Ne均隨時間逐漸降低。在膨脹初期由于具有較高的電子密度和溫度，粒子劇烈地碰撞，所以碰撞展寬占主導(dǎo)。隨后電子密度、溫度減小，儀器展寬展寬變得明顯，占據(jù)主導(dǎo)地位。
　　2、在10Pa氣壓下，通過對空間分辨光譜的分析，認(rèn)識到等離子體空間分布的橢球體性質(zhì)；通過對時間和空間分辨光譜的分析，不僅診斷了飛秒激光誘導(dǎo)Cu等離子體的特征參量，還通過時間飛行譜（ TOF）計算出其膨脹速度為15.00km/

7、s。通過波長為521.82nm和510.55nm譜線的強度比值I521/I510隨著時間的降低，發(fā)現(xiàn)2D5/2能級的布居數(shù)減少得比2P3/2快。
　　3、本文研究了105Pa時離焦量對飛秒激光誘導(dǎo)Cu等離子體譜線自吸收的影響。文章分析了當(dāng)靶材位于透鏡焦點，延遲時間為120 ns、520 ns、920 ns時，波長分別為324.75 nm、327.40 nm、510.55 nm、515.32 nm和521.82 nm的各光譜的自吸收