飞秒激光诱导等离子体诊断与光谱线型研究

摘要

当激光脉冲作用到靶材时，会在短时间内使靶材表面熔化、蒸发、电离，产生电离态气体，我们称之为激光诱导等离子体（Laser-induced Plasma，缩写LIP）。探测LIP发射光谱，实现等离子体诊断，也对靶材成分进行测定。LIP具有快速检测、靶材损伤少、远距离监控等优点。对LIP光谱线型的分析，有助于理解等离子体谱线的展宽机制，也对等离子体特性有一个更清晰的认识。激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在材料加工、诊断检测以及空间应用方面具有较高的应用价值。飞秒激光诱导击穿光谱技术（fs-LIBS）具有低击穿阈值、低大气干扰等优点，随着航空技术的进步，这一技术在宇宙探索上的应用也将成为热点之一。
　　我们利用Origin8.0对光谱进行拟合。大多数人通过Lorentz线型来拟合谱线，而部分研究者用Voigt线型。我们对实验中采集到的光谱进行拟合，通过比较实际光谱线型与拟合线型，选择较为合理的拟合线型函数。因为碰撞展宽和自然展宽可以由Lorentz线型来描述，Doppler展宽和仪器展宽可以由Gauss线型来描述，所以找出拟合谱线的合理线型可以帮助我们理解等离子体光谱谱线的展宽机制。由于等离子体的内外温度不均匀，当较高温的等离子体中心辐射出的光子穿过较低温的等离子体边缘区域时，辐射的光子会被较低能级的同种原子或离子吸收，导致光谱强度降低，我们称这种现象为自吸收现象。光谱的自吸收现象会使等离子体诊断出现误差，因此分析和理解等离子体光谱自吸收的机理是非常必要的。
　　本文采用飞秒激光诱导产生锌和铜等离子体，利用Origin8.0处理光谱数据，通过时空分辨光谱技术实现对等离子体的诊断，探讨离焦量对自吸收的影响。我们的主要工作是：
　　1、在环境气压分别为10Pa、103Pa和105Pa时对飞秒激光诱导Zn和Cu等离子体的谱线线型作出分析。我们发现在等离子体膨胀的过程中，只用通常的Lorentz线型对谱线进行拟合是不准确的。在等离子体膨胀初期，运用Lorentz和Voigt拟合的结果较好，后期Gauss和Voigt拟合的效果较好。因此用Voigt函数来拟合等离子体的光谱较为准确。我们通过分析Voigt拟合中谱线半高宽Gauss和Lorentz成分的时间演化，发现在膨胀初期碰撞展宽占主要机制，随后仪器展宽占主要机制。因此，只利用Lorentz拟合得到的在膨胀后期的Stark展宽是不准确的。据我们看来，Voigt拟合所得Lorentz成分的展宽使LIP的Stark展宽物理图景更加清晰。在10Pa、103Pa、105Pa气压下，我们计算了Zn和Cu等离子体的电子温度Te、密度Ne。由其随时间的演化图线可知Te、Ne均随时间逐渐降低。在膨胀初期由于具有较高的电子密度和温度，粒子剧烈地碰撞，所以碰撞展宽占主导。随后电子密度、温度减小，仪器展宽展宽变得明显，占据主导地位。
　　2、在10Pa气压下，通过对空间分辨光谱的分析，认识到等离子体空间分布的椭球体性质；通过对时间和空间分辨光谱的分析，不仅诊断了飞秒激光诱导Cu等离子体的特征参量，还通过时间飞行谱（ TOF）计算出其膨胀速度为15.00km/s。通过波长为521.82nm和510.55nm谱线的强度比值I521/I510随着时间的降低，发现2D5/2能级的布居数减少得比2P3/2快。
　　3、本文研究了105Pa时离焦量对飞秒激光诱导Cu等离子体谱线自吸收的影响。文章分析了当靶材位于透镜焦点，延迟时间为120 ns、520 ns、920 ns时，波长分别为324.75 nm、327.40 nm、510.55 nm、515.32 nm和521.82 nm的各光谱的自吸收情况：前两个波长谱线的自吸收较明显，后三个波长谱线的自吸收几乎看不到。当靶材不在透镜焦点上时，随着离焦量的增加，波长为324.75 nm和327.40 nm谱线的自吸收现象变得越来越明显；波长为510.55 nm、515.32 nm和521.82 nm的谱线，其自吸收现象逐渐减弱。

目录

声明

第一章 绪论

1.1激光器简介及发展历史

1.2 LIBS概述

1.3飞秒激光等离子体简介

1.4等离子体的诊断方法

1.5本文主要内容及安排

第二章 等离子体的理论基础与实验方法

2.1等离子体的展宽

2.2飞秒激光等离子体拟合谱线线型的研究意义及光谱诊断

2.3谱线的自吸收

2.4实验装置及参数

2.5实验步骤

第三章 飞秒激光诱导等离子体谱线拟合线型的时间演化实验研究

3.1 Zn、Cu等离子体发射光谱谱线拟合

3.2不同气压环境下Zn等离子体的电子密度Ne和电子温度Te及其时间演化规律

第四章 低压下飞秒激光诱导Cu等离子体的诊断及空间分布实验研究

4.1 Cu等离子体发射光谱强度的时间演化规律

4.2等离子体膨胀速度

4.3 Cu等离子体发射光谱强度的空间演化规律

4.4能级粒子布居数演化的实验研究

第五章 离焦量对飞秒激光诱导Cu等离子体谱线的影响

5.1焦点上谱线自吸收情况

5.2离焦量对谱线自吸收的影响

第六章 结论与展望

6.1本文主要工作及结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期发表的论文

致谢