激光等离子体中铅原子能级移动的研究

摘要

自1960年美国物理学家梅曼(T.H.Maiman)成功研制出第一台红宝石激光器起，激光技术的发展就表现出强大的生命力，近几年超短超强激光科学的快速发展为人类提供了前所未有的功率密度(>1020W/cm2)、电场强度(>1011V/cm)和时间精度(10-15s)等非常极端的实验条件，为许多科学的创新性研究和重大突破提供了极其重要的平台并产生了革命性的影响。其中“激光与物质相互作用”的研究成果是激光技术发展的一个重要标志。激光与物质相互作用是物理学最重要的研究课题之一，它不仅在理论研究领域受到人们的普遍关注，而且在激光加工、材料制备以及军事武器的制备等实际应用中已经得到了广泛应用。
　　激光与物质相互作用的一个主要结果就是产生激光等离子体。当功率密度足够高的脉冲激光辐照到靶材的表面时，靶材会在几纳秒的时间内熔化、蒸发乃至电离，产生高温高密度的等离子体。研究铅等离子体，有助于铅原子结构的研究，为天文等离子体的模拟提供数据。事实上，对激光等离子体的诊断不仅在理论上有助于更好的理解激光与物质的相互作用过程，而且对PLD制膜的最佳条件的确定起到相当有益的启发。
　　本文主要对Pb激光等离子体进行了光谱诊断。第一，在距离靶面大约0.3mm处获得了有关原子谱线的时间分辨谱，测量了等离子体的电子密度、以及其时间演化趋势；通过光谱分析，得到了特征谱线的展宽和频移数据，并从三方面对谱线的展宽频移随时间的演化进行了解释；根据相关文献的结论，对展宽频移数据进行了分析，并且对于与文献结论相反的实验结果进行了定性的解释；通过频移分析，我们还得到了在激光等离子体环境中铅原子部分能级偏移量的大小关系。第二，在距离靶面不同的位置处，我们得到了Pb原子谱线的时间演化谱，给出了10条铅原子谱线的中心波长在不同空间位置处随时间的演化，分析发现，发生蓝移的谱线的跃迁上能级具有相同的电子组态并且对蓝移现象进行了解释；给出了10条铅原子谱线在不同延迟时间时中心波长随空间位置的演化，并且利用等离子体膨胀的动力学模型对此进行了解释。在研究过程中，取得了一些创新性的成果，概括起来，本论文研究的主要内容和结果如下:
　　(1)由理论分析和对激光等离子体谱线的高斯及洛仑兹拟合可知，激光等离子体的展宽机制主要是斯塔克展宽。我们用铅原子谱线PbⅠ373.995nm的半高全宽计算了等离子体的电子密度，计算了不同激光能量下不同延迟时间的电子密度，结果显示，随着时间的延迟电子密度减小，随着激光能量的增大电子密度增大；对于在不同激光能量下，电子密度随延迟时间的变化规律，我们给出了一个确定的描述公式。
　　(2)分析了来自相同上能级的两组谱线(PbⅠ357.274nm和PbⅠ257.727nm；PbⅠ266.316nm和PbⅠ373.995nm)和有相同下能级的三组谱线(PbⅠ357.274nm和PbⅠ373.995nm；PbⅠ257.727nm和PbⅠ266.318nm；PbⅠ363.958nm和PbⅠ368.348nm)的展宽和频移，比较结果为:W357.274nm＞W257.727nm、d357.274nm＞d257.727nm，W373.995nm＞W266.316nm、d373.995nm＞d266.316nm；W357.274nm＞W373.995nm、d357.274nm＞d373.995nm，W257.727nm＞W266.318nm、d257.727nm＞d266.318nm，W363.958nm＞W368.348nm、d363.958nm＞d368.348nm。根据谱线展宽和频移与跃迁能级有效电离能之间的关系式我们对实验结果作了分析，分析发现对于具有相同下能级的两条谱线(PbⅠ363.958nm和PbⅠ368.348nm)，其展宽与频移的大小关系与其他的两组不同，与已有文献中的关系式不同，我们从自吸收和平方斯塔克效应两方面对其进行了解释。
　　(3)谱线的频移是由相应跃迁能级的移动引起的，等离子体发射光谱的频移反映的是相关原子能级的移动情况，通过分析谱线的频移，我们得到了6条铅原子谱线相应跃迁能级的能级移动量的大小关系如下:△Ee(6p21D2)＜△Ee(6p23p2) 、△Ee(6p7s1p01)＜△Ee(6p7s3p01) 、△Ee(6p7s3p01)＜△Ee(6p7s3p00)。另外，我们对谱线的展宽频移在等离子体环境中随延迟时间的变化规律，从粒子碰撞引起的线型表述、平方斯塔克效应和自由电子对原子核的屏蔽作用三方面进行了解释。
　　(4)在第二组实验中同样利用铅原子谱线PbⅠ373.995nm的半高全宽计算了等离子体的电子密度，给出了在延迟时间300ns、500ns、800ns、1000ns时，铅激光等离子体的电子密度随空间位置的演化；另外，给出了四条铅原子谱线(357.274nm，363.958nm，368.348nm，373.995nm)的强度随延迟时间和空间距离的演化趋势，据此我们判断，等离子体的膨胀过程，不仅是能量的损耗过程，其中还存在能量的交换，即存在一些原子的激发过程。
　　(5)给出了10条铅原子谱线(357.274nm，363.958nm，368.348nm，373.995nm，257.727nm，266.316nm，261.418nm，280.199nm，282.320nm，287.332nm)的中心波长在空间位置0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.4mm、1.9mm、2.4mm处的时间演化图，通过分析我们发现，对于发生蓝移的四条谱线(261.418nm，280.199nm，282.320nm，287.332nm)，它们具有相同跃迁上能级电子组态6p6d；以谱线PbⅠ287.332nm为例，我们从平方斯塔克效应出发，对实验中观察到的谱线蓝移现象进行了解释。
　　(6)给出了十条铅原子谱线的中心波长在延迟时间300ns、500ns、800ns、1000ns时随空间位置的演化图，我们发现，在激光等离子体环境中谱线的中心波长随着空间距离的增加向着短波方向移动，我们认为这是由多普勒效应引起的；我们利用等离子体膨胀的动力学理论模型，模拟了等离子的膨胀速度在空间各轴向的分布，对等离子体环境中谱线的中心波长随空间距离的演化趋势给出了合理的解释。

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第一章 绪论

1.1 等离子体技术与应用

1.2 原子结构与光谱分析

1.3 铅材料介绍

1.4 本论文的主要内容及安排

第二章 激光等离子体的产生与诊断

2.1 激光等离子体的产生

2.2 激光等离子体的诊断

2.3 激光等离子体实验装置

第三章 激光等离子体中铅原子能级移动的研究

3.1 铅激光等离子体的诊断

3.2 激光等离子体中部分铅原子谱线的展宽频移分析

3.3 激光等离子体中铅原子能级移动的分析

3.4 谱线的展宽和频移的演化分析

第四章 激光等离子体中铅原子谱线频移的空间演化分析

4.1 电子密度的空间演化分析

4.2 部分铅原子谱线频移在空间各点随时间的演化分析

4.3 部分铅原子谱线频移随空间位置变化的分析

4.4 等离子体膨胀速度的理论模拟

第五章 结论

5.1 本论文的工作总结

5.2 对今后工作的规划

附录

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢