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。     

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。     

真空中脉冲激光烧蚀铝等离子体发射光谱及粒子速度研究

利用Q开关Nd:YAG激光器产生的1.06 μm倍频后532 nm、脉宽10 ns的脉冲激光聚焦在置于真空室中铝靶上,观测激光诱导的铝等离子体发射光谱.采用不同的激光能量,分析了波长范围为350 nm到400 nm的空间、时间分辨发射光谱.在局部热力学平衡(LTE)条件近似下,根据谱线的相对强度,计算得到等离子体电子温度,给出了靶面附近电子温度的空间、时间演化规律;根据谱线半宽,计算等离子体电子密度,并给出了靶面附近电子密度的空间与时间演化规律;在靶面正前方处放置动能探测器,记录粒子飞行时间信号,观测不同激光强度烧蚀铝靶产生等离子体中三种粒子到达探测器的时间,计算得出等离子体中三种观测到的粒子喷射速度.     

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。     

保护条件变化的激光焊接等离子体光谱分析

保护气体在激光焊接过程中起重要的作用,保护条件的改变对焊接质量会有显著地影响。研究Nd∶YAG激光焊过程中保护条件的变化对激光等离子体的电子温度和电子密度等特征参数的影响,通过设计分步减小保护气流量的激光焊试验进行规律性研究,通过模拟实际可能发生的保护不良的激光焊试验进行验证性研究。在试验研究过程中,利用光谱仪采集激光焊接过程中产生的光致等离子体的光谱信息,通过相对光强法计算不同保护条件下等离子体的电子温度,通过斯塔克展宽机制计算不同保护条件下等离子体的电子密度。研究结果表明,保护条件的改变对Nd∶YAG激光焊接过程中产生的光致等离子体的电子温度和电子密度有重要影响,随着保护条件的变化,光致等离子体的电子温度和电子密度的平均值会发生变化,其波动幅度也会发生变化。在保护良好的条件下,等离子体的电子温度和电子密度均较小,且波动幅度也较小;在保护不良的条件下,等离子体的电子温度和电子密度都比较大,且波动幅度也比较大,这种变化的特征有助于对激光焊接过程进行质量监控。     

“烧蚀模式”激光推进等离子体的光谱诊断

利用Nd:YAG激光器(1.06μm,10 ns)与激光推进中可能应用到的工质材料(LY12铝、H62铜、45#钢、石墨、PVC、聚甲醛)相互作用,记录了铝和铜等离子体的发射光谱,研究了它们随空间的演化和随功率密度的变化.在局部热平衡假定下,由特征谱线的相对强度得到了二者的电子温度以及铝等离子体的电子密度和电离度,以及随激光功率密度的变化和空间演化规律.同时利用相机B门拍摄到六种材料的烧蚀喷出物照片,并做了分析.     

激光烧蚀硅过程中的元素沉积规律

激光在半导体加工行业(特别是硅材料)具有广阔的应用前景。激光与硅作用过程极其复杂,本文主要研究了紫外激光脉冲对硅进行烧蚀的形貌特征以及环境气体的影响。研究表明,紫外激光烧蚀硅产生激光等离子体的电离效应对烧蚀特性起了决定性的影响：气化、电离物的产生为材料的去除提供了条件,同时激光等离子体冲击波会把相变材料有效排出,激光等离子体光谱的电离效应则把空气中的氧元素有效电离并沉积到烧蚀产物中。     

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     

激光诱导钛产生等离子体的光谱分析及电子温度的测量

用Nd∶YAG激光器产生的1.06μm、10ns的脉冲激光激发钛靶,用光学多通道分析仪(OMAII)测量了钛等离子体的时间分辨发射光谱,记录并分析了在40ns~200ns延迟范围内438~448nm波段的钛等离子光谱,用一组钛原子谱线的相对强度计算了不同延迟时间下等离子体电子温度。     

激光大气等离子体的空间分布特性

 利用Nd:YAG激光器产生的1.06 μm激光束（脉冲能量为500 mJ,脉冲宽度为10 ns, 重复频率为30 Hz）聚焦形成长约8 cm、直径5 cm的激光大气等离子体柱,分别沿激光束方向和垂直于激光束方向探测了该等离子体柱的空间分辨光谱,并由此反演得出电子密度和电子温度空间分布特性。实验结果表明：激光大气等离子体中各种离子和电子呈泪滴型分布,即沿激光束方向不对称,而垂直激光束方向对称分布,最大电子密度1018/cm3,最高电子温度3 000 K。     

基于发射光谱及成分分析的激光除漆机理研究

基于激光诱导击穿光谱和X射线能谱技术,测量了激光与油漆作用时发射光谱及作用前后元素成分的变化,以此研究了激光除漆的机理。实验测量了不同纳秒激光能量下激光诱导击穿油漆表面的光谱,计算了等离子体的电子密度和温度。通过扫描电子显微镜对油漆烧蚀形貌进行了分析,采用X射线能谱仪测量了烧蚀前后油漆成分的变化。研究结果表明,等离子体电子密度、温度以及烧蚀区域大小都随着入射激光能量的增加逐渐增加。在激光作用前后油漆中碳(C)含量明显降低,原子百分比从78.25%降低到67.07%,说明激光与油漆作用过程中发生了烧蚀。通过对比钛(Ti)元素、C元素和铝(Al)元素的相对原子比例,表明更高的激光能量下油漆烧蚀的更剧烈。该工作对深入研究激光除漆机理有重要意义。     

激光等离子体无源电探针探测及光谱诊断的比较分析

提出一种利用无源电探针探测激光焊接光致等离子体的方法。采用光电同步采集系统对激光焊接光致等离子体进行研究,利用无源电探针和光纤式光谱仪探测光致等离子体,利用等离子鞘层理论分析电信号,并运用相对光强法计算出光致等离子体的电子温度,比较同步光电信号分析结果。将不涂覆表面物质以及表面分别涂覆KF和TiO₂三种情况下的计算结果进行对比,对影响结果准确性的因素进行分析。研究结果表明通过无源探针法计算等离子体温度与光谱信号计算结果基本吻合,准确度受等离子体离子质量的影响。无源电探针法能够反映激光焊接光致等离子体内温度变化,具有较好的实时性,可以作为激光等离子体监测手段。     

样品添加剂对激光诱导等离子体辐射的增强效应

为了改善激光诱导等离子体的辐射特性,利用由高能量钕玻璃脉冲激光器、组合式多功能光栅光谱仪和CCD数据采集处理系统构成的光谱测量装置,以国家土壤标样为靶,研究了NaCl样品添加剂对激光等离子体辐射强度的影响,并由光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果表明:随着NaCl加入量的增加,激光等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的趋势。当NaCl加入量为15%时,等离子体的辐射强度最大,元素Mn,K,Fe和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了39.2%,42.5%,53.9%和33.8%,光谱信背比分别提高了64.4%,84.3%,44.5%和58.2%,而等离子体的电子温度和电子密度比无添加剂时分别提高了0.17倍和0.36倍。     

KCl添加剂对激光诱导土壤等离子体辐射强度的影响

为了提高激光诱导击穿光谱技术对低含量物质成分的检测能力,实验研究了KCl添加剂对土壤样品发射光谱的增强效应。利用高能量钕玻璃脉冲激光器烧蚀样品,由组合式多功能光栅光谱仪和CCD数据采集处理系统记录等离子体光谱,并通过测量光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果证明,随着KCl加入量的增加,激光等离子体的光谱强度、信背比、电子温度和电子密度均呈现出先增大而后减小的规律。当KCl加入量为15%时,等离子体辐射最强,元素Mn,Fe,和Ti的谱线强度分别比无添加剂时提高了2.23,1.13和2.04倍,信背比分别提高了1.33,0.89和0.94倍;而等离子体的温度和电子密度比无添加剂时分别提高了14%和38%。     

脉冲激光烧蚀碲镉汞材料的等离子体发射谱

脉冲激光辐照处于不同背景气压下的Hg0.8Cd0.2Te材料表面,用时间和空间分辨诊断技术探测了激光照射后产生的等离子体发射谱,根据所获得的飞行时间谱测量了等离子体中粒子的出射速度,结果表明粒子速度随着出射距离的增加迅速减小,且背景气压对出射速度有很大的影响,而激光能量对粒子速度的影响不大。另外根据谱线的展宽计算了等离子体中的电子密度,结果表明,电子密度在激光辐照样品后的短时间内迅速减小,且电子密度最大的位置不是出现在靶的表面而是在距表面一定距离处。     

高能量激光诱导铝等离子体的发射光谱研究

用钕玻璃激光器 (～ 2 5J)烧蚀铝靶获得等离子体 ,以氩气作为保护气体 ,分析了环境气压、等离子体的观测高度、工作电压、激光功率密度对谱线强度的影响 ,并进行了简短的讨论。实验结果表明 ,环境气压为 88kPa时谱线强度最大 ;相同气压下随着观测高度的增大 ,谱线强度明显减弱 ,在气压为 88kPa观测位置距样品表面 1 5～ 2mm时谱线强度较强 ;并且随着激光工作电压、功率密度的增大 ,谱线强度逐渐提高。     

基于LIBS及时间分辨特征峰的激光除漆机理研究

激光除漆是一种高效、清洁的新型清洗技术,对激光除漆物理过程和机理的研究是该技术发展的关键。基于LIBS技术,测量得到油漆去除过程中等离子体的发光光谱,计算出油漆样品去除前后等离子体的电子密度和温度,研究了油漆中特征元素对应的光谱特征峰强度随时间的变化情况。结果表明,随着激光作用脉冲数量的增加,油漆去除深度逐渐增加,等离子体电子密度和温度在将漆去除干净的最后几个脉冲作用时呈下降趋势。油漆中Ti元素的所对应的特征峰信号持续时间为2个μs,油漆去除前后信号强度呈现跳跃减少,该现象可用于快速、准确、实时的判断油漆去除情况。