激光等离子体辐射谱线展宽和频移研究

摘要

激光诱导等离子体是一种光谱源，它在光谱分析和激光脉冲沉积方面有着重要的研究价值。激光诱导等离子体的光发射谱(也称激光诱导击穿光谱)包含了从等离子体发出的各种波段的电磁辐射，其形式主要为线状谱和连续谱。这些谱线是等离子体中微观粒子变化过程信息的载体，因此通过研究激光诱导等离子体的光发射谱能够获取等离子体中微观粒子的时空分布和能级结构等方面的信息。此外，激光诱导击穿光谱技术还具有其它重要的优点，比如研究对象的可选范围广泛、用量少，它可以对大多数物质能够进行快速无接触分析。作为一种研究激光与物质相互作用的基础工具，近年来它受到研究者们的青睐。等离子体一些定性结论的得出是建立在直观实验结果的定量分析基础上的，在实验当中能够获取的比较直观结果有谱线的展宽、频移和强度，而谱线的相对强度也是间接获取谱线的展宽和频移的参量之一，因此研究谱线的展宽和频移对于了解等离子体的性质具有重要的意义。
　　本文通过对高纯度材料钛和铝的激光诱导等离子体光谱的时间分辨诊断，分别做了如下两方面的工作:
　　一是根据钛等离子体早期的时间演化对两条钛的二价谱线的展宽和频移进行的了测量，分析了其谱线强度的变化。利用修正的半经验公式对这两条谱线的Stark展宽和频移进行了理论计算，并对实验和理论结果进行了比较。利用平方 Stark效应对这两条谱线的频移进行了定性分析。
　　二是利用一维辐射转移方程对铝的发射光谱进行了模拟，并考察了该理论模型中某些参数对谱线线形的影响。在具体的操作过程中，我们改进了该模型中对参数的处理方法，并根据谱线模拟的结果给出了原子能级粒子数密度随延迟时间演化的空间分布情况。
　　根据以上两方面的工作，我们在具体的研究过程中取得了一些新的成果，概括起来具体如下:
　　1.根据钛等离子体的早期(60ns—200ns)的光谱时间分辨诊断确定了其电子密度和电子温度的时间演化。在考察的时间范围内，从原子能级结构的角度对TiⅢ(237.4986 nm)的强度总是小于TiⅢ(241.3989 nm)的现象进行了解释。并根据谱线随强度的变化得出三体复合辐射机制在考察的时间范围内扮演了重要的角色。
　　2.根据实验结果给出了两条TiⅢ高价谱线(237.4986 nm和241.3989 nm)的Stark展宽的经验公式。利用半经验的修正公式对这两条谱线的Stark展宽进行了计算，在该理论方法的误差范围内，计算结果和实验结果能够很好的符合。这两条谱线在频移方面都表现出了蓝移，从平方Stark效应方面对其进行了定性解释。同时将两条谱线的蓝移大小关系与理论计算的结果进行了比较并取得了一致的结果。
　　3.基于一维辐射转移方程的理论模型，对AlⅠ(394.4 nm和396.1nm)谱线在不同延迟时间下的光谱图像进行了模拟，并得出了考察能级粒子数密度空间分布随延迟时间的演化图。
　　4.我们还考察了模型中一些参数对于谱线线形的影响。给出了谱线自蚀深度随高低能级粒子数空间分布半径比变化的关系，并给以解释。另外通过研究自蚀现象存在时频移参数与线形的关系得到了定性判断谱线频移的直观方法并从实验上进行了验证。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 光谱认识的发展过程

1.2 谱线展宽和频移研究的背景和进展

1.3 研究的主要内容和意义

1.4 论文章节内容安排介绍

第二章 相关基础知识和实验方法介绍

2.1 谱线相关知识

2.2 谱线展宽机制介绍

2.3 激光等离子体的光谱诊断

2.4 实验设备和步骤

第三章 Ti Ⅲ 谱线 Stark 展宽和频移的实验结果和理论计算

3.1 理论方法介绍

3.2 激光诱导钛等离子体实验结果及相关分析

第四章 铝等离子体谱线模拟及模型参数作用探究

4.1 理论方法介绍

4.2 谱线模拟及其结果

4.3 模型参数和谱线线形关系探讨

第五章 结论与展望

5.1 工作结论

5.2 对未来工作的建议

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢