激光诱导al等离子体时空分辨谱光量子分析

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1、摘要摘要本文用Nd：YAG激光器输出1064nm波长、10ns脉宽的脉冲激光，在Ar气中烧蚀金属Al靶诱导等离子体，用光学多道分析仪记录Ai等离子体辐射多色谱，利用时间、空间分辨技术采集Al等离子体时间、空间分辨辐射谱，从而获得Al等离子体辐射时一空分辨多色谱。根据等离子体辐射时空分辨多色谱，分析了Al等离子体辐射时间、空间分布；研究了环境气压对Al等离子体辐射的影响。并基于实验结果，研究了Al等离子体的时空演化行为。在研究Al等离子体时间演化行为实验中，固定激光输出脉冲能量为145mJ／脉冲，激光在靶上的作用面为≯=054mm，相应的能流密度是6．3×109W／cm2，气压固定在100k

2、Pa。采集等离子体在靶面前方0．1mm处的发射谱。结果发现：①Al等离子体辐射时间演化过程大致可分为三个阶段：第一阶段是前50ns，主要是连续辐射，称为连续辐射阶段；第二阶段是从50ns到200ns延迟的150ns，主要由Ar+离子辐射、连续辐射、Al原子辐射组成，称为离子辐射阶段；第三阶段是200ns延迟后的阶段，主要是Al原子辐射，称为原予辐射阶段。②各延迟谱都叠加着一个“凹谷”，本文认为是吸收谱。③连续辐射持续时间短，但强度大，约是Ar+离子辐射的lO倍，是Al原子辐射的8倍。④AlI396．15nm和AlI394．40nm辐射，增强和衰减都比较缓慢，持续约5雎s。在该实验条件下，A

3、l等离子体是}ls级瞬间行为。在研究Al等离子体空间演化行为实验中，气压固定在100kPa。激光脉冲能量为114mJ／脉冲，相应能流密度为5．O×109W／cm2，采集靶前Z=0．1mm，1．5ram，2．5mm，3．5ram等处的等离子体辐射谱。结果发现：①靶前Z=0．1mm，1．5mm。2．5mm处的等离子体辐射时间分辨谱与145ruff／脉冲、Z=0．1mitt条件下采集的结构类似，都叠加着宽带吸收谱：Al等离子体在这些位置处的时间演化过程也可分为连续辐射、离子辐射、原子辐射三个阶段。②靶前Z=0．1mm，l，5mm，2．5mm三处连续辐射最大强度大约都是12000，差别不大。但持续

4、时间依次缩短；Al原子辐射最大强度依次减小。③在Z=3．5mm处，只采集到了Al原子辐射，强度为100，比较弱。④根据AII396．15nm辐射在各观察位置到达最大值的时间差，计算得到的Al原子飞行速度悬103m／s数量级。所以，在该实验条件下诱导的Al等离子体是以103m／s的数量级扩张的，不过只延伸到靶前3．5ram处；随离靶面距离的增大。等离子体辐射逐渐减弱。在研究环境气压对Al等离子体辐射的影响实验中，将激光脉冲能量固定在145mJ／脉冲，以100kPa，10kPa，lkPa，0．1kPa为气压实验点，采集靶前Z=0，lmm处Al等离子体辐射时间分辨谱。结果发现：①从O．1kPa开

5、始，随气山东大学博士学位论文——激光诱导Al等离子体时空分辨谱光量予研究压升高，特征谱线强度和连续谱强度均增大。②气压在接近一个大气压时，特征谱和连续谱都下降。⑨最大特征辐射强度在10kPa、靶前0．1mm处、延时I80ns时获得；同一条件下获得最强背景连续谱。④信号一背景比是在lkPa、靶前1．0mm处、延时2500ns时达到最大值。所以，气压对等离子体辐射影响很大，适当的气压(1kPa～10kPa)有利于加强等离子体辐射和提高信噪比：气压过高(～100kPa)或过低(～0．1kPa)，都不利于等离子体辐射。利用“热库效应”、“约束效应”、“屏蔽效应”，可对实验现象进行较合理的解释。在研

6、究环境气压对Al等离子体辐射的影响时，还采集到了大量Ar+辐射谱线，说明激光烧蚀过程中击穿了Ar气；Ar气被击穿时吸收了大量激光能量，必然对Al等离子体辐射产生很大影响。经过对Af+辐射与环境气压之间的关系进行分析发现：①在10kPa气压下，Ar+离子谱线最丰富，辐射最强；②随气压减小，谱线条数和线型基本不变，但强度锐减；③当气压升高时，谱线条数速减，辐射减目g，线型变差。由此可见，AI+辐射与气压关系类似于Al原子辐射同气压的关系。利用100kPa，10kPa，1kPa，0．1kPa气压下采集的数据，选择了Ar+四条特征谱线，估算了100kPa，10kPa，lkPa，0．1kPa气压下等

7、离子体的电子温度。结果表明：四种气压下的计算结果差别不大，大约都是20000K。在研究Al原子特征辐射时，使用在10kPa，145mJ／脉冲，Z=0．1mm条件下采集的实验数据，通过积分计算了AlI396．15nm和AlI394．40nm谱线下的面积．进而计算了两条谱线辐射跃迁几率比。结果表明：这两条谱线跃迁几率比约等于1．983：1，与理论计算结果1．988：1符合得很好。应用量子力学吸收跃迁、受激辐射原理，讨论了A1