不同气压背景下激光烧蚀Al靶产生等离子体特性分析

用时间和空间分辨诊断技术研究了脉冲激光烧蚀不同气压环境下金属Ａｌ靶过程中产生的等离子体羽的特性。     

脉冲Nd：YAG激光烧蚀金属Al产生等离子体的时空分辨光谱研究

本文采用时间与空间分辨的光谱测量技术，测量记录了在Ａｒ为缓冲气体下，用Ｎｄ：ＹＡＧ脉冲激光烧蚀金属Ａｌ，产生的等离子体发射光谱随时间和空间的强度分布，研究了烧蚀环境气压对其的影响。     

气压对激光诱导Al等离子体特征的影响

使用Nd :YAG激光器烧蚀金属Al靶获得等离子体 ,利用光谱时 -空分辨技术 ,在 10 0～ 1× 10 5Pa气压范围内 ,关于环境气体压强对激光诱导的等离子体辐射特征的影响进行了研究。使用的气体是Ar气 ,单脉冲激光能量 145mJ。结果发现 ,气压升高 ,特征谱线强度增加 ,连续谱强度也增加 ;但气压过高 ,在接近大气压时 ,特征谱和连续谱都下降 ;最大特征辐射强度在 10kPa、靶前 0 .1mm处、延时 180ns获得 ;同一条件下获得最强背景连续谱 ,而信号 -背景比是在10 0 0Pa、靶前 1.0mm处、延时 2 50 0ns达到最大值。基于Al等离子体不同气压下的时间 -空间分辨谱 ,对结果进行了简单的讨论。并分别确定了获得最大特征辐射和信号 -背景比的条件 ;以及最佳信号采集区。     

激光脉冲能量对激光诱导Al等离子体辐射特征的影响

使用Nd：YAG激光器烧蚀金属Al靶获得等离子体,利用光谱时-空分辨技 术,在52 mJ～145 mL/pulse激光脉冲能量范围内,关于激光脉冲能量对激光诱导等离子体 辐射特征的影响进行了研究。使用的气体是Ar气,压强为10 kPa。结果发现,激光脉冲能量 升高,引起特征谱线强度增加,连续谱强度也增加;但能量过高,会击穿周围气体,产生气 体微等离子体。此时,特征谱和连续谱几乎不再增强;最大特征辐射强度在145 mJ、10 kPa 、靶前0.1 mm处、延时180 ns获得;同一条件下获得最强背景连续谱,而信号-背景差是在 145 mJ、10 kPa、靶前1.0 mm处、延时450 ns达到最大值。基于Al等离子体不同激光脉冲能 量下的时间-空间分辨谱,对结果进行了简单的讨论。并分别确定了获得最大特征辐射和信 号-背景差的条件。     

激光诱导Al等离子体吸收谱分析

用Nd:YAG脉冲激光烧蚀金属Al靶获得等离子体，激光脉冲能量为115mJ.pulse^-1，用氮气作保护气体，压强为1个大气压，获得激光诱导Al等离子体的时间分辨谱。分析了Al等离子体辐射特征。根据连续辐射时间分布，对吸收谱的形成作了简单的解释，认为Al原子对连续辐射的共振中收是形成吸收谱中的“凹谷”的主要机制。     

激光脉冲能量对激光烧蚀保护气体电离的影响

用Ar气作保护气体 ,气压保持在一个标准大气压 ,用Nd :YAG脉冲激光烧蚀Al靶获得等离子体。利用时空分辨技术 ,采集了激光脉冲能量在 5 2 ,92 ,115和 14 5mJ情况下等离子体辐射的时空分辨谱。详细描述了 115mJ时等离子体的辐射特征 ,简要分析了其他脉冲能量下Ar的特征辐射规律。根据这些脉冲能量下Ar 特征谱线的分布规律 ,简要论述了Ar气体电离与激光脉冲能量的关系。讨论了环境气体电离机制 ,并对结果进行了简单解释。结果发现 ,在本实验采用的能量范围内 ,较高的脉冲能量更容易使环境气体电离 ,产生较强的Ar 离子辐射 ,且Ar 辐射持续时间较长。     

用发射光谱测量激光等离子体的电子温度与电子密度

本文研究以Ａｒ为缓冲气体，用Ｎｄ：ＹＡＧ激光烧蚀固体表面的等离子体。用光学多道分析仪测量了等离子体的时间分辨发射光谱，用一组ＭｎＩ谱线的相对强度计算了激光等离子体的电子温度，根据ＭｇＩ和Ａ１Ｉ谱线的Ｓｔａｒｋ展宽计算了等离子体的电子密度。     

激光诱导Al等离子体连续辐射的时间分布

用Ar作环境气体,压强固定在10kPa,每个激光脉冲能量为115mJ,利用时空分辨技术,采集激光烧蚀Al靶产生的等离子体辐射的时间分辨谱。分析了Al等离子体连续辐射特征。简要讨论了激光诱导等离子体连续辐射的产生机理。提出了原子对激光诱导等离子体连续辐射共振吸收理论。激光诱导等离子体的连续辐射的主要机制是轫致辐射和复合辐射,在激光脉冲作用到靶面瞬间,轫致辐射占主导地位;等离子体演化初期,复合辐射和轫致辐射共同产生等离子体连续辐射;等离子体演化后期,连续辐射主要复合辐射产生的。Al原子对连续辐射的共振吸收是选择性的,这是改变连续辐射按波长“平滑”分布的主要机制。     

激光诱导等离子体中Al原子共振双线时-空演化的实验研究

通过测定激光诱导等离子体中Ａｌ人振双线３９６．１５ｎｍ和３９４．４０ｎｍ强度的时－空演化特性，对激光诱导等离子体中共振双线的演化规律及其机理进行了讨论，使用的气体是空气气压为１０１ｋＰａ。     

脉冲Nd:YAG激光烧蚀Cu产生等离子体总辐射的时空分辨研究

通过时空分辨的光谱测量技术,测定了在环境气压下,Ｎｄ：ＹＡＧ脉冲激光烧蚀金属Ｃｕ产生等离子体的总辐射随时间与空间的强度分布,研究了烧蚀环境气压对总辐射强度的影响,提出了电子碰撞与复合激发模型。     

Spatially,temporally, and spectrally resolved measurement of laser-induced plasma in air

Images and emission spectra of sparks produced by laser-induced breakdown in air were investigated with a high degree of spatial and temporal resolution. The laser-induced breakdown was generated by focusing a 532-nm nanosecond pulse from a Q-switched Nd:YAG laser. The data were collected using a framing intensified charged coupled device (CCD) camera and a multi-fiber Cassegrain optics system coupled to an intensified CCD spectrometer. The results provided information about the different stages of laser-induced breakdown. The plasma shape and emission spectrum were very reproducible. Different ionization levels in the plasma kernels, which were observed using the high spatial resolution of the multi-fiber Cassegrain optics system, occurred during the plasma formation and cooling and at different locations within the plasma. This was due mainly to the thickness of the plasma relative to the laser wavelength, which created different ionization levels and energy absorption rates throughout. These observations were correlated with the plasma visualizations obtained with the framing ICCD camera. The plasma emission analysis permitted us to study the temperature evolution along the plasma during the laser-induced breakdown process. The analysis demonstrated the validity of a laser-supported wave model during the first stages of laser-induced breakdown and illustrated the weak dependence of the plasma temperature on the input energy. PACS 52.50.Jm; 52.70.-m; 51.50.+v     

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.     

再加热双脉冲与单脉冲激光诱导Fe等离子体发射光谱实验对比研究

使用单脉冲和再加热双脉冲激光对位于空气中的钢样进行烧蚀激发等离子体,对两种方式产生的光谱进行研究。再加热双脉冲激光诱导击穿光谱采用两束激光,一束烧蚀样品激发等离子体,另外一束激光对产生的等离子进行加热。通过对比发现:采用再加热双脉冲激发样品,增强了发射光谱的信号,增大了等离子体的连续光谱,提高了信号的稳定性,十次测量信号的相对标准偏差从5.0%降低到2.0%。另外,还对影响双脉冲信号增强程度的因素进行了分析,研究了光谱的增强程度随两脉冲间隔和采集延时的变化;激发上能级对光谱增强程度的影响,上能级越高增强程度越大。     

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     

Effect of gas pressure on ionization of ambient gas

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＩｔｗａｓｏｆｔｅｎｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｔｈａｔｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｏｆａｍｂｉｅｎｔ ｇａｓｓｈｏｕｌｄｏｃｃｕｒｒｅｄｗｈｅｎａ ｐｌａｓｍａｗａｓｐｒｏｄｕｃｅｄｗｉｔｈｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｎｇａｔａｒｇｅｔ .Ｍａｎｙａ     

空气中激光烧蚀Cu产生等离子体发射光谱的研究

利用Q-开关Nd:YAG激光器产生的1.06 μm、10 ns的脉冲激光聚焦在空气中的Cu靶上,观测了激光诱导的Cu等离子体发射光谱.采用不同的激光能量,分析了波长范围为440 nm到540 nm的空间分辨发射光谱.在局部热力学平衡(LTE)条件近似下,根据谱线的相对强度,得到了等离子体电子温度约在104 K以上,给出了靶面附近电子温度的空间演化规律,并探讨了N(Ⅱ)500.52 nm谱线的谱线强度和半高全宽随激光能量的变化规律.     

激光诱导AlO自由基B2∑+–X2∑+跃迁光谱研究

基于激光诱导击穿光谱技术, 利用Nd:YAG脉冲激光激发Al₂O₃ (含量为99%)陶瓷片产生等离子体, 获得了AlO自由基B²∑⁺–X²∑⁺跃迁的33条发射谱线. 就AlO自由基光谱的时间演化规律和激光能量对谱线的影响规律进行了研究与分析. 结果表明, AlO自由基光谱出现在Al原子和Al离子光谱之后, 且持续时间较长. 当激光的脉冲能量由10 mJ起不断增加时, AlO自由基光谱强度逐渐减小, 且最大值出现时间随激光能量的增加而后移. 在此基础上, 进行了陶瓷等离子体在空气和氩气环境下的对比试验, 发现从Al₂O₃陶瓷片中激发所产生的AlO自由基必须有空气中O₂参与反应. 关键词： 激光诱导击穿光谱 AlO自由基 B²∑⁺–X²∑⁺跃迁光谱')" href="#">B²∑⁺–X²∑⁺跃迁光谱     

Acoustic emission monitoring during laser shock cleaning of silicon wafers

A laser shock cleaning is a new dry cleaning methodology for the effective removal of submicron sized particles from solid surfaces. This technique uses a plasma shock wave produced by laser-induced air breakdown, which has applied to remove nano-scale silica particles from silicon wafer surfaces in this work. In order to characterize the laser shock cleaning process, acoustic waves generated during the shock process are measured in real time by a wide-band microphone and analyzed in the change of process parameters such as laser power density and gas species. It was found that the acoustic intensity is closely correlated with the shock wave intensity. From acoustic analysis, it is seen that acoustic intensity became stronger as incident laser power density increased. In addition, Ar gas has been found to be more effective to enhance the acoustic intensity, which allows higher cleaning performance compared with air or N₂ gas.     

Spatial characterization of laser-induced sparks in air

Images and emission spectra of sparks produced by laser-induced breakdown in air were investigated as functions of the laser energy and optical configuration. The laser-induced breakdown was generated by focusing a 532-nm nanosecond pulse from a Q-switched Nd:YAG laser. The data were collected using an intensified CCD camera and a Cassegrain optics system coupled to an ICCD spectrometer. The results provided information about the first stages of laser-induced spark breakdown. Good reproducibility of the plasma location and shape was observed; these parameters depended largely on the optical configuration and plasma energy absorption rate. The high spatial resolution of the Cassegrain optics system was used to observe different ionization levels in the plasma kernel, which confirmed the electron cascade mechanism for plasma formation. The different ionization levels partially explained the asymmetry of the ignition induced by the plasma generation in gaseous mixture. Backward propagation of the plasma along the laser path was observed using the high spatial and temporal resolution of the experimental apparatus. The propagation was largely due to the thickness of the plasma relative to the laser wavelength, which created different ionization levels and energy absorption rates throughout the plasma. This observation was correlated with images obtained using the ICCD camera.