激光诱导击穿锌等离子体的空间膨胀特性及能量依赖关系的研究

摘要

本文通过激光诱导击穿光谱技术研究了锌等离子体在空间膨胀时其特性的演化,并研究了等离子体产生对激光脉冲能量的依赖关系。在大气环境下将脉冲激光聚焦于锌金属靶表面烧蚀并产生等离子体,采集等离子体膨胀方向不同距离处的时间分辨荧光光谱,确定等离子体的电子温度及电子数密度参数,研究等离子体特性随空间膨胀距离及时间的演化关系。然后改变激光脉冲能量,采集特定位置的锌等离子体荧光光谱,确定等离子体特征参数及其时间演化特性对激光脉冲能量的依赖关系,研究激光脉冲能量对等离子体形成的影响。结果表明,等离子体形成后其早期膨胀过程为超音速绝热膨胀,随等离子体空间膨胀距离的增加电子温度先降低后升高,电子数密度先升高后降低。当延迟时间增加至2.2us时,随着空间距离的增加,电子温度持续下降,电子数密度基本维持不变,此时超音速绝热过程消失。当激光脉冲能量增加时,锌元素特征谱线强度逐渐饱和,电子数密度增加速率逐渐降低,等离子体寿命持续增加。当激光脉冲能量低于100 mJ时,电子温度随激光脉冲能量的增加而快速上升。当激光脉冲能量高于100 mJ时,电子温度维持在8500 K上下波动。因此,随着激光脉冲能量的增加,等离子体屏蔽效应逐渐明显,脉冲激光与锌金属靶相互作用前期产生的等离子体吸收激光脉冲能量维持自身的存在,最终导致仅有部分激光脉冲能量与金属发生相互作用,使得谱线强度及电子温度的上升出现阈值。