激光誘導(dǎo)紫銅等離子體過程中的逆韌制輻射效應(yīng)

趙小俠，賀俊芳，王紅英，楊森林，李院院，張相武

（西安文理學(xué)院應(yīng)用物理研究所，西安710065）

激光誘導(dǎo)紫銅等離子體過程中的逆韌制輻射效應(yīng)

趙小俠，賀俊芳，王紅英，楊森林，李院院，張相武

（西安文理學(xué)院應(yīng)用物理研究所，西安710065）

為了研究激光等離子體相互作用過程中逆韌制輻射效應(yīng)，用1064nm Nd∶YAG激光器誘導(dǎo)產(chǎn)生紫銅等離子體，建立3條銅原子譜線的Boltzmann圖，計算得到紫銅等離子體的電子溫度為6902K。通過測量銅原子譜線324.75nm的Stark展寬，計算得到紫銅等離子體的電子密度為3.6×1017cm－3；基于銅等離子體的特征參量，得到紫銅等離子體的逆韌制輻射系數(shù)是0.021cm－1。結(jié)果表明，該光譜分析方法可以在避免對等離子體產(chǎn)生擾動的情況下，得到等離子體的特征參量。

激光技術(shù)；等離子體；發(fā)射光譜；電子溫度；電子密度

引 言

激光誘導(dǎo)等離子體作為一門交叉學(xué)科被廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、材料學(xué)和深空探測等領(lǐng)域［1］。激光與材料相互作用誘導(dǎo)等離子體的過程包含產(chǎn)生、膨脹和衰減3個階段，而了解激光等離子體的加熱機制是深入研究這3個物理過程的前提。等離子的加熱機制與等離子體的特征參量密切相關(guān)。因此，準確測量等離子體的特征參量是認識激光等離子體相互作用的關(guān)鍵。

近年來，光譜診斷逐漸發(fā)展成一種行之有效的等離子體特征參量測量手段，光譜法的優(yōu)點是不僅不會對等離子體產(chǎn)生擾動，而且還能得到等離子體參量的時空分辨信息［2］。本實驗中利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)研究了紫銅等離子體的特征參量（電子溫度和電子密度），進而研究了激光誘導(dǎo)紫銅等離子體的逆韌制輻射（inverse bremsstrahlung，IB）系數(shù)。

1 實驗裝置和紫銅等離子體光譜

圖1是實驗裝置示意圖，由光源產(chǎn)生系統(tǒng)、信號探測系統(tǒng)和實驗材料紫銅組成。激光器的參量分別是：波長1064nm，脈寬19.7ns，脈沖能量81mJ。五通道光譜儀的參量分別是：探測范圍200nm～700nm，光學(xué)分辨率0.06nm～0.08nm。實驗工作原理是：調(diào)Q Nd∶YAG激光器輸出的激光聚焦到紫銅表面誘導(dǎo)產(chǎn)生紫銅等離子體，光譜儀AvanSpec-2048FT-5接收紫銅等離子體信號并實時顯示。

圖2是激光誘導(dǎo)紫銅等離子體輻射光譜，在連續(xù)背景輻射上疊加著大量的銅原子發(fā)射譜線（CuⅠ229.38nm，CuⅠ222.57nm，CuⅠ324.75nm，CuⅠ329.05nm，CuⅠ402.26nm，CuⅠ229.38nm，CuⅠ427.51nm等）。實驗測量表明，背景輻射和原子輻射的衰減速率不同，為了得到較大的信背比，實驗中采用的時間延遲是5μs，積分時間是2ms。

Fig.1 Experimental setup

Fig.2 Spectra of laser-induced copper plasma in the range from 200nm to 625nm

2 紫銅等離子體電子溫度

等離子體電子溫度的測量是激光等離子體診斷中的基本問題［3］，激光與材料相互作用所產(chǎn)生的等離子體可認為處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)（local thermodynamic equilibrium，LTE）。在LTE情況下，可以利用Boltzmann方程進行等離子體溫度的測量。根據(jù)Boltzmann方程，原子譜線輻射強度為［4］：

式中，λmn是譜線的波長，Imn是譜線的強度，Em是m能級的激發(fā)能量，Amn是自發(fā)躍遷幾率，Te是等離子體電子溫度，gm是m能級的統(tǒng)計權(quán)重，k是Boltzmann常數(shù)，h是Plank常數(shù)，c是真空中的光速，N和U分別是粒子數(shù)密度和配分函數(shù)。

以（1）式中的Em為橫坐標，建立Boltzmann圖，通過線性擬合，由斜率就可以求出等離子體的溫度。為了提高紫銅等離子體溫度求解的精度，實驗中采用了3條銅原子譜線（CuⅠ229.38nm，453.97nm，578.21nm）建立Boltzmann圖（見圖3），經(jīng)過擬合得到紫銅等離子體的溫度是6902K。這些譜線的相關(guān)參量如表1所示。

Fig.3 Boltzmann plotwith 3 CuⅠemission lines

Table 1 Physical parameters for CuⅠlines

3 紫銅等離子體電子密度

在激光等離子體中，發(fā)光原子與等離子中的帶電粒子相互作用會使發(fā)射譜線展寬，稱為Stark展寬，可以從實驗測量的Stark展寬計算等離子的電子密度。譜線產(chǎn)生Stark展寬的大小與電子密度的關(guān)系如下［5］：

式中，Δλ1／2表示譜線的半峰全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM），ω表示電子的增寬系數(shù)，Ne表示等離子體的電子密度。

銅原子譜線324.75nm的譜線展寬圖見圖4。Stark展寬基本符合Lorentz線型［6］，利用Lorentz函數(shù)擬合銅原子譜線見圖中實線所示，擬合的相關(guān)系數(shù)R2＝0.97，譜線的半峰全寬是0.37nm。利用電子碰撞參量［7］，最終求得的紫銅等離子體的電子密度是3.6×1017cm－3。

Fig.4 Stark-broadened profile of CuⅠat324.75nm

4 逆韌制輻射系數(shù)

當(dāng)激光與物質(zhì)相互作用的能量積累到一定程度，物質(zhì)表面就會發(fā)生爆炸形成初始等離子體，濺射出來的物質(zhì)繼續(xù)與激光脈沖相互作用形成更高電離度等離子體。對于1064nm激光來說，初始等離子體的產(chǎn)生主要通過逆韌制輻射完成，其原理是通過與離子或原子的碰撞，電子獲得足夠的能量，進一步與原子發(fā)生碰撞電離［8］。逆韌制輻射系數(shù)為［9-10］：

式中，λ是激光波長。將紫銅等離子體的特征參量代入上式，計算得到紫銅等離子體的逆韌制輻射系數(shù)為0.021cm－1。

5 結(jié) 論

利用1064nm激光誘導(dǎo)產(chǎn)生紫銅等離子體。利用3條銅原子譜線的Boltzmann圖，計算得到紫銅等離子體的溫度是6902K。通過測量銅原子譜線324.75nm的Stark展寬，得到紫銅等離子體的電子密度是3.6×1017cm－3。基于等離子體的特征參量，求得紫銅等離子體的逆韌制輻射系數(shù)是0.021cm－1。實驗結(jié)果表明，采用光譜分析方法，可以避免對等離子體的擾動，從而精確得到等離子體的特征參量。

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Inverse brem sstrahlung effect in process of laser-induced copper plasma

ZHAO Xiaoxia，HE Junfang，WANG Hongying，YANG Senlin，LIYuanyuan，ZHANG Xiangwu
（Institution of Applied Physics，Xi’an University of Arts and Science，Xi’an 710065，China）

In order to study inverse bremsstrahlung（IB）effect in process of laser-induced copper plasma，copper plasma was induced by Nd∶YAG laser at 1064nm.The electron temperature 6902K of the copper plasma was calculated with the Boltzmann plotof3 CuⅠlines.Bymeasuring the Stark broadening of CuⅠat324.75nm，its electron density of 3.6×1017cm－3was obtained.Based on these characteristic parameters of copper plasma，the inverse bremsstrahlung coefficient of 0.021cm－1was obtained.Experimental results show that the plasma parameters can be obtained without any disturbance with the spectral analysismethod.

laser technique；plasma；emission spectrum；electron temperature；electron density

O53

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.015

1001-3806（2014）03-0357-03

陜西省教育廳科學(xué)研究計劃資助項目（2013JK0620；2013JK0640）；西安市科技創(chuàng)新計劃創(chuàng)新基金資助項目（CX12189WL02；CX12189WL01）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目（2012JQ5006）

趙小俠（1970-），女，博士，副教授，主要從事激光技術(shù)的應(yīng)用研究。

E-mail：zxx_luo＠126.com

2013-07-15；

2013-07-17