飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱     

激光波长对水中金属元素激光诱导击穿光谱探测的影响

针对激光诱导击穿光谱(LIBS)在海洋应用中的问题,对1 064和532nm两个激发波长下水中LIBS光谱特性进行探测分析,以比较其烧蚀效果。通过激光诱导等离子体的时间分辨光谱,分析水下等离子体电子密度随时间的演化规律,1 064nm激光诱导等离子体寿命约为1 200ns,而532nm激光激发情况下等离子体寿命仅约为600ns。基于光在水中的传输特性和LIBS的实验结果,建立了获得最佳LIBS探测效果所需的入水前激光脉冲能量Eiopt(r)与探测距离r的关系,并应用到水下原位探测的模拟分析。结果表明,当探测距离不大于5cm时,所需的入水前1 064nm激光单脉冲能量小于100mJ,该激发波长可用于LIBS的水下探测;当探测距离增至10cm时,所需的入水前532nm激光单脉冲能量只需30mJ左右。因此,当原位探测距离增加时,则需考虑选择532nm激光作为烧蚀光源。     

荧光法研究空气等离子体膨胀动力学过程

基于等离子体荧光法研究了Nd∶YAG纳秒1 064 nm激光脉冲诱导击穿空气等离子体的膨胀动力学过程,用ICCD相机捕获了不同激光脉冲能量诱导的空气等离子体随时间演化图像,给出激光能量100,150,200,300 mJ时击穿空气产生的空气等离子体波阵面前沿的膨胀距离,推演出空气等离子体的扩展速度。实验结果表明等离子体发光区域主要分布在等离子体膨胀区域,等离子体荧光强度随时间增加变强然后渐渐变弱,膨胀区域逐渐增大,在300 mJ,22 ns膨胀距离最大达到3.76 mm,等离子体扩展速度在膨胀初期达到105 m·s-1量级,在膨胀16 ns内迅速衰减,随后趋于平缓。激光脉冲能量越大,引起空气击穿的时刻靠近高斯激光脉冲上升阶段。     

脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用

分析了脉冲激光烧蚀材料等离子体等温膨胀阶段的物理特性,建立了脉冲激光烧蚀材料等离子体压力三维方程与动力学模型.应用所建模型,数值分析了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体相关特性,得到等离子体的反冲压力最大值870 Pa出现在约25 ns后,距离砂轮表面距离约0.05 mm处.相关条件下开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,采用高速相机观测烧蚀砂轮过程中的飞溅现象;采用光栅光谱仪测量等离子体空间发射光谱,计算了等离子体电子温度、电子密度以及反冲压力.实验表明脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体反冲压力可以不计,同时也验证了气体方程与动力学模型的正确性和可行性,对脉冲光纤激光烧蚀工艺优化具有启示意义.     

单脉冲激光烧蚀青铜砂轮等离子体物理模型研究

采用光栅光谱仪测量了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮的等离子体空间分辨发射光谱,计算得到单脉冲激光烧蚀下等离子体电子温度约为5220K,距离砂轮表面0~0.35 mm范围内等离子体电子密度值为0.5×10~(16)~1.8×10~(16) cm~(-3)。建立了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮的等离子体浓度空间分布模型以及等温膨胀动力学方程,仿真结果表明,在一个脉冲时间内,等离子体等温膨胀速度最大值出现在25ns左右,等离子体浓度最大值(1.8943×10~(16) cm~(-3))出现在距离砂轮表面0.05mm处,且等离子体屏蔽作用小,实际烧蚀中可以不予考虑。试验结果与数值仿真结果数量级基本一致,验证了等离子体物理模型的正确性。研究结果对优化脉冲激光烧蚀工艺具有指导作用。     

脉冲激光沉积动力学研究进展

脉冲激光沉积技术是现代常用的先进薄膜材料制备技术之一.文章在简要介绍脉冲激光沉积技术及其进展的基础上,较全面地介绍了脉冲激光沉积动力学的基本物理图像和动力学构架,深入地探讨了激光烧蚀靶材过程、等离子体膨胀过程和薄膜沉积过程的动力学规律,阐述了我国学者在脉冲激光沉积动力学研究方面的贡献,例如包括脉冲激光沉积三个工艺过程自洽的统一模型,等离子体膨胀的冲击波模型,基于局域能量动量守恒定律的新等离子体演化动力学模型,包括热源项、蒸发项、等离子体屏蔽效应和动态物性参数的烧蚀热传导模型,考虑电子碰撞效应和能带结构变化的修正双温模型,能统一描写从纳秒级到飞秒级脉冲激光烧蚀规律的统一双温模型等.     

激光诱导Cu等离子体特性研究

实验在大气环境下测定激光诱导Cu等离子体的时间分辨发射光谱,通过对ICCD门宽、ICCD与激光脉冲延迟、增益、激光能量等参数的调节来达到最佳的时间分辨光谱.利用最佳光谱图,通过测定的光谱强度和Stark展宽计算激光诱导Cu等离子体的电子温度和电子密度,得出激光诱导Cu等离子体的电子温度和电子密度时间演化特性.结果表明在本实验条件下延时100-1000 ns范围内变化时,相应的电子温度范围为15000 K-5000 K,在200 ns-500 ns时下降的很快,在500 ns后电子温度下降的越来越平稳;延时在200-900 ns之间变化,等离子体的电子密度一直在下降,延时200-600 ns下降着延时的增加的平缓,600-900 ns下降的很快,随着时间的演化,电子密度也越来越小.     

发射光谱法研究纳秒激光烧蚀硅等离子体特性

利用调Q Nd3+∶YAG激光器三倍频355 nm激光脉冲烧蚀空气环境的硅样品,观测不同脉冲激光能量下产生的等离子体在380～420 nm范围内的时间-空间分辨等离子体发射光谱,观测到在等离子体羽膨胀初期存在N+发射光谱。在局域热力学平衡近似条件下,根据时间-空间分辨等离子体发射光谱计算得到等离子羽体电子温度和电子密度随时间延时存在二次指数衰减变化,等离子体羽体电子温度和电子密度的空间分布近似呈Lorentz分布,发现在确定激光脉冲能量下电子密度空间分布最大值偏离光谱强度最大空间位置并对产生原因进行分析,探讨了等离子体羽参数与激光脉冲能量的关系。     

光纤激光气体氮化钛合金发射光谱及等离子体研究

激光气体氮化工艺可在钛合金表面快速生成氮化层,提高钛合金表面硬度和耐磨性,促进钛合金应用。采用光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金,为了明确氮化过程光谱发射区是否形成等离子体,采用探针法检测了光谱发射区导电性;为了研究工艺参数对光谱特性、光谱发射区温度及等离子数量的影响,采用光谱仪采集了氮化过程发射光谱,并采用高速摄像拍摄了光谱发射区域照片。试验表明,光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金过程中,光谱发射区可以导电,形成了金属蒸汽等离子体,这与CO₂激光气体氮化钛合金工艺过程中形成的氮等离子体完全不同。采用光纤激光氮化Ti-6Al-4V钛合金工艺过程中,工艺参数显著影响金属蒸汽等离子体的数量,当激光功率较大,扫描速度较小,离焦量较小和氮气含量较高时,光谱发射区可产生金属蒸汽等离子体。氮化过程发射光谱由连续光谱和线状光谱组成,连续光谱主要由热辐射产生,连续光谱强度可以表征光谱发射区温度,线状光谱主要由等离子区域原子核外电子跃迁产生,线状光谱强度可以表征等离子体数量。氮化过程,随激光功率增大或扫描速度减小,连续光谱和线状光谱增强,表明光谱发射区温度升高,等离子体数量增加;随离焦量增大,连续光谱和线状光谱呈先减小后增大之后又减小的复杂变化趋势,表明光谱辐射区温度先降低后升高之后又降低,等离子体数量先减少后增加之后又减少;氮气中加入少量氩气,可强烈影响氮化过程,使连续光谱和线状光谱大幅减弱,随氩气流量进一步增加,线状光谱和连续光谱继续减弱,表明氮气中加入少量氩气使光谱发射区温度大幅降低,等离子体数量大幅减小,随氩气量进一步增加,光谱发射区温度继续降低,等离子体数量继续减少。     

纳秒激光单脉冲烧蚀硅表面的超快成像研究

利用ICCD可以在纳秒时间尺度下成像的特点,以飞秒准连续激光产生的超短脉冲光为探测光,对纳秒激光单脉冲烧蚀硅靶表面的演化过程进行动态监测。在能量密度为50J／cm^2时,捕获了纳秒单脉冲激光烧蚀硅靶面过程中等离子体演化的时间分辨图像。图像表明,纳秒激光烧蚀硅靶产生的等离子体开始时密度大,膨胀速度快,当纳秒激光脉冲过后,等离子体不再产生,并且其膨胀速度不再增加,直至完全消失。     

激光击穿氮气等离子体光谱的时间特性

用YAG脉冲激光的1．06μm光束在一个大气压的N2中产生激光等离子体，并对该等离子体在大约300～900nm谱段的发射光谱进行了实验研究。实验结果表明，氮气激光等离子体光谱由较强的连续光谱背景和迭加在其上的若干线状光谱组成。随着光谱采样的延时，激光等离子体中各光谱组分的强度有不同的相对变化。     

CO2激光锡等离子体极端紫外及可见光光谱

利用CO2激光烧蚀锡靶产生等离子体,当入射到靶面的单个脉冲能量为400mJ,半峰全宽(FWHM)为75ns时,使用光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)采集了等离子体的时间分辨光谱。在局域热平衡假设下,利用谱线的斯塔克展宽和五条Sn II谱线的相对强度计算并得到了等离子体电子密度、电子温度和辐射谱线强度随时间的变化规律;利用掠入射极端紫外平场光栅光谱仪,结合X射线CCD同时探测了光源在6.5～16.8nm波段的时间积分极端紫外辐射光谱。实验结果表明:激光点燃等离子体早期的100ns内有很强的连续谱,此后才能分辨出明显的原子和离子线状谱。在延时0.1～2.0μs的时间区间内,等离子体中的电子温度和密度分别在2.3～0.5eV和7.6×1017～1.2×1016 cm-3范围内,均随时间经历了快速下降,然后再较缓慢下降的过程。激光锡等离子体极端紫外不可分辨辐射跃迁光谱峰值中心位于13.5nm,FWHM为1.1nm。     

激光烧蚀金属表面产生的发射光谱分析

用观测时间和空间分辨发射光谱的方法研究了脉冲激光烧蚀金属铝靶过程中产生的等离子体羽的特性，计算了其膨胀速度，讨论了大气中等离子体点燃的机制。     

激光烧蚀金属元靶等离子体中电学信号的实验研究

将高功率脉冲激光作用于金属元靶,探测激光诱导等离子体在靶上产生的电学信号.研究了作用激光能量的差异对等离子体电信号的影响,实验结果表明随着激光能量的增加电信号脉冲幅度逐渐增大并趋于饱和.同时,将激光烧蚀过程中的靶材等效为瞬态电流源,初步建立了激光诱导等离子体等效电路模型,并将该模型应用于激光烧蚀金属靶,对靶上电信号的产生机制进行了详细讨论.     

激光大气等离子体时间演化特性的光谱研究

采用延时光谱法和谱线演化法 ,对YAG脉冲激光器 1 0 6 μm光束击穿一个大气压的空气所产生的等离子体进行了时间分辨光谱研究。对激光大气等离子体连续光谱的短波带与长波带分别进行了时间分辨测量 ,结果表明两者的衰变速率均在等离子体激发约 0 5微秒以后明显变慢。分析认为这种衰变速率的变慢可能与空气中氧对自由电子的吸附与去吸附有关。对激光大气等离子体线状光谱所作的时间分辨测量则表明 ,大部分线状光谱的演化寿命大于其标称寿命 ,部分线状光谱还呈现“衰变—增涨—衰变”的复杂形式。分析认为线状光谱的这些演化特征可能与等离子体在衰变期间的各种复合过程和能量转移过程有关。     

基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀金属模型

为了分析飞秒激光烧蚀过程,在双相延迟模型的基础上建立了双曲型热传导模型.模型中考虑了靶材的加热、蒸发和相爆炸,还考虑了等离子体羽流的形成和膨胀及其与入射激光的相互作用,以及光学和热物性参数随温度的变化.研究结果表明:等离子体屏蔽对飞秒激光烧蚀过程有重要的影响,特别是在激光能量密度较高时;两个延迟时间的比值对飞秒激光烧蚀过程中靶材的温度特性和烧蚀深度有较大的影响;飞秒激光烧蚀机制主要以相爆炸为主.飞秒激光烧蚀的热影响区域较小,而且热影响区域的大小受激光能量密度的影响较小.计算结果与文献中实验结果的对比表明基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀模型能有效对飞秒激光烧蚀过程进行模拟.     

激光诱导Ti等离子体光谱的时间演化特性研究

利用Nd:YAG激光器产生的1064 nm、10 ns脉冲激光聚焦在空气中的Ti靶,观测了激光诱导Ti等离子体发射光谱.调节激光能量为45 mJ/pulse,分析了时间范围在0到4000 ns的时间分辨发射光谱和谱线轮廓以及展宽.在局部热力学平衡(LTE)条件下,利用Saha-boltzmann图法拟合电子温度,Saha方程计算电子密度,讨论了等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律.结果表明,在所讨论的时间范围内,谱线的强度在延时250 ns处达到最大,250 ns后随着延迟时间的增加减小,电子密度和电子温度在延时1000 ns内快速衰减,1000 ns后衰减速度变慢.     

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

本文分别利用Gauss、Lorentz和Voigt函数对10Pa背景气压下飞秒激光诱导Cu等离子体光谱进行了拟合分析,结果表明,光谱在150ns内与Lorentz线型符合较好,200ns后与Gauss线型符合较好,Voigt线型与实验谱线一直符合较好。本文还对等离子体的电子密度和温度进行了诊断,并给出了它们随时间的演化;由发射光谱强度的时空演化,推知了等离子体的空间分布;利用时间飞行谱(TOF)得出了等离子体初期沿垂直靶面的膨胀速度。     

脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮等离子体特性研究

采用光栅光谱仪 对脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的等离子体空间分辨发射光谱进行了测量. 研究了500–600 nm波段范围内的等离子体空间发射光谱强度随激光平均功率和脉冲重复频率的变化情况. 结果表明: 等离子体辐射光谱强度在其径向膨胀方向上距离砂轮表面约2.4 mm处达到最大值. 在局部热力学平衡假设条件下, 根据等离子体中六条铜原子谱线的相对强度, 利用Boltzmann 图法, 计算得到在不同激光功率和重复频 率条件下的等离子体电子温度沿砂轮径向方向的分布规律. 实验结果表明: 在激光修锐青铜金刚石砂轮过程中, 距离砂轮表面约3 mm处等离子体电子温度出现峰值, 其温度最高可达4380 K, 且等离子体电子温度随着激光参数和 空间位置的改变呈现出不同的演变规律. 关键词： 脉冲光纤激光 等离子体发射光谱 激光修锐 电子温度     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.