脉冲激光束烧蚀KTiOAsO、KTiOPO和SiC材料产生等离子体特性研究

摘要

最近几年,由于脉冲激光诱导等离子体的独特应用价值,在诸多领域都展示出巨大的应用前景,引起了研究人员极大兴趣,例如:(1)采用高功率激光加热飞行器发动机中的推进剂,使其温度急剧上升,形成高温高压等离子体,等离子体瞬间膨胀时可以提供给飞行器极高的推进比冲(500-1000s),将其推向更高空间。激光诱导等离子体的推进研究不仅大大扩展了推进技术的研究领域,必将加快人类探索太阳系甚至更广泛空间领域的进度；(2)脉冲激光诱导等离子体光谱诊断技术不仅可以实时检测各种固态、液态、气态材料中的多种元素成份,而且还能快速确定各元素的含量,是微量元素分析领域非常理想的诊断技术；(3)激光烧蚀固体靶材料可以沉积制备种类繁多的高质量薄膜材料,具有极大的兼容性。目前已成功制备出具有高温超导特性、良好绝缘性的电器元件,以及优良抗磨损性薄膜材料,采用该项技术制备的薄膜材料还能应用于医学领域的生物相容性器件。
　　 激光诱导等离子体应用的迅猛发展迫切需要对激光烧蚀过程、汽化物质蒸发输运过程以及等离子体中电离过程进行系统深入研究,这是改善现有应用和开发新应用领域的关键所在。研究等离子体的电子温度、密度以及离子飞行速度是描述和表征等离子体复杂特性的最有效途径,因此本论文主要采用光谱分析技术重点研究纳秒脉冲激光束烧蚀KTiOPO4(KTP)、KTiOAsO4(KTA)和SiC晶体材料产生等离子体参数的空间分布特点和时间演化规律,粒子的飞行速度分布特性。以期通过本论文的研究,为深入掌握等离子体特性奠定坚实基础,这些基础规律及特性的系统研究必将对现在及未来的广阔应用产生一定影响。
　　 激光诱导等离子体特性与入射激光功率有着极其密切关系。在论文中,我们详细研究了不同功率的Nd:YAG激光束烧蚀KTA晶体产生等离子体参数的空间和时间演化规律。实验结果显示,烧蚀产生的等离子体参数(电子温度和密度)在其每一延迟时刻的测量值都随着入射激光能量增强而显著增加,同时随着激光能量的增加,等离子体演化寿命也随之延长。将激光功率从1.68增加到2.54GW/cm2,等离子体谱线寿命从500ns增加到700ns,同时入射激光功率也影响演化过程中每一时刻的参数值,在延迟时刻500ns,电子温度从1.55eV变化到1.97eV。如果激光能量进一步增加,等离子体参数及其演化寿命同时达到饱和,不再发生改变。
　　 在入射激光功率相同的条件下,采用532nm和1064nm波长的激光束分别烧蚀KTP晶体,实验结果表明,532nm激光束烧蚀产生等离子体膨胀速度更快,电子温度在其时间演化过程中最高达到2.2eV,而在1064nm激光条件下只能达到1.9ev。短波长532nm激光烧蚀KTP晶体更容易产生高温等离子体。实验结论为高功率短波长激光烧蚀制备氧化物薄膜奠定基础。
　　 我们实验测量并计算了Nd:YAG脉冲激光束烧蚀SiC材料产生等离子体的电子温度和密度空间分布的详细情况。实验发现,将入射激光功率从0.24GW/cm2增加到1.66GW/cm2过程中,沿着靶表面垂直方向,无论是通过测量电子温度和密度的空间分布来推断等离子体核心尺寸还是采用高分辨率相机直接测量,等离子体核心尺寸几乎保持恒定不变,只有等离子体的尾部尺寸随着激光功率的增强而发生明显增大。并且还注意到电子密度数值在高功率激光诱导产生的等离子体尾部范围内有明显的波动现象,这很有可能引起激光沉积镀膜中缺陷的出现。我们在论文中采用等离子体自调节吸收机制和等离子体对入射激光的屏蔽原理对所观测的实验结果给予合理详细的分析。
　　 我们还分析了等离子体中Si原子(633.19nm)和离子(634.71、637.13 nm)特征谱线随时间延迟和空间变化的演化特性。在大约2.7 Pa的真空条件下,我们发现Si原子(633.19nm)在空间分布上延续很长,从等离子体近表面处一直延续到等离子体尾端(16mm)都能清晰观测到该谱线的存在。然而在时间演化分析中,Si原子的633.19nm发射的谱线却仅仅能够在等离子体膨胀早期的175ns内存在,与Si离子的634.71和637.14nm演化时间(430ns)相比,该原子谱线演化寿命很短。随着环境气体压强增加到105Pa,由于粒子间碰撞加剧,该谱线彻底消失。伴随着Si原子谱线的消失,从真空条件变化到常压,Si离子634.71和637.13nm谱线强度却能大大提高,尤其是637.13nm谱线最高强度几乎是真空条件下的五倍左右,谱线的演化时间也从430ns左右增加到1.428×104 ns。我们通过理论计算激光烧SiC蚀材料产生的蒸汽压强的演化规律,合理地解释了上述实验中的典型粒子时间演化结果。实验结果证实:在脉冲激光沉积制备SiC薄膜过程中,环境气体压强能够改变等离子体组分,有利于致密均匀SiC薄膜的形成。
　　 我们在入射激光功率为0.484 GW/cm2条件下烧蚀SiC材料,通过飞行时间谱的记录和分析,对等离子体动力学进行系统研究。我们发现非常有意义的实验结果,Si离子634.71nm谱线峰值沿着垂直于靶表面方向呈现不同速度分布区域:靶表面附近处,谱线峰值的时间延迟随着靶表面距离的增加呈现线性变化,离子以匀速度在此空间区域内飞行；当在距离较远的区域内(5.5-7.5mm),离子存在两种截然不同的减速过程,从指数函数衰减变化到幂函数的暴轰波模型。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

§1.1等离子体的基本概念及性质

§1.2激光诱导等离子体的应用

1.2.1 应用于激光推进技术

1.2.2 激光诱导等离子体光谱分析技术在微量元素分析领域的应用

1.2.3 激光烧蚀沉积制备薄膜与纳米团簇

§1.3本论文的研究内容和目标

参考文献

第二章 激光诱导等离子体诊断技术

§2.1探针法

§2.2发射光谱诊断方法

§2.3微波法

参考文献

第三章 光谱诊断分析激光诱导等离子体参数的理论基础

§3.1等离子体电子温度测量

3.1.1 特征谱线的相对强度计算电子温度

3.1.2 特征谱线与连续谱线的相对强度计算电子温度

3.1.3 特征谱线反转法计算电子温度

§3.2电子密度的测定

参考文献

第四章 脉冲激光烧蚀KTiOAsO4和KTiOPO4晶体生成等离子体时空演化规律研究

§4.1实验过程

§4.2实验结果及分析讨论

4.2.1 脉冲激光烧蚀KTA晶体产生等离子体参数空间分布规律

4.2.2 脉冲激光烧蚀KTP晶体产生等离子体参数随时间变化特性

§4.3小结

参考文献

第五章 脉冲激光烧蚀SiC晶体产生等离子体空间分布和时间演化特性研究

§5.1实验过程

§5.2实验结果及分析讨论

5.2.1 激光烧蚀SiC晶体产生等离子体空间分布研究

5.2.2 激光烧蚀SiC晶体产生等离子体时间演化规律

5.2.3 局部热力学平衡条件的验证

5.2.4 激光烧蚀SiC晶体产生等离子体典型谱线的时空演化特性

§5.3小结

参考文献

第六章 高功率激光烧蚀SiC晶体产生等离子体喷射速度研究

§6.1实验过程

§6.2实验结果及分析讨论

6.2.1 等离子体中不同粒子飞行速度

6.2.2 等离子体飞行速度的空间分布特点

6.2.3 入射激光能量对粒子飞行速度的影响

§6.3小结

参考文献

第七章 总结与展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励

附:外文论文

学位论文评阅及答辩情况表