納秒激光燒蝕等離子體羽流超快過程實驗診斷

李 超，常 浩，洪延姬，曹棟棟

（航天工程大學 激光推進及其應用國家重點實驗室，北京 101416）

0 引言

激光產生的等離子體具有的持續時間極短、時空變化極快、尺寸小、強自發光等特點，等離子體羽流特性研究是一項極具挑戰性的任務。國內外采用很多診斷技術研究激光產生的等離子體羽流特性，例如：陰影成像法、紋影成像法、發光光譜、干涉測量、法拉第杯、朗繆爾探針等[1]。

Emmony和Irving[2]研究激光作用碳靶時，采用高速記錄了等離子體羽流演化過程，首次拍攝到等離子體發光圖像，發現等離子體發光前沿位置與時間滿足冪函數關系。Maher和Hall等人[3]拍攝到激光燒蝕鋁靶表面的等離子體羽流發光圖像，發現羽流初始速度與激光強度滿足冪函數關系。Maher和Hall[4]采用馬赫—曾德爾干涉系統，首次拍攝到激光輻照鋁靶的羽流前沿波陣面呈球形。陸建等人[5]發現激光輻照鋁靶的羽流初始階段呈圓柱形。Harilal等人[6]采用脈寬為8ns的激光輻照鋁靶，ICCD曝光時間為2ns，拍攝了不同氣壓下延遲時間為50ns～1500ns羽流演化過程，發現在低壓情況下羽流演化過程的分裂現象。Kawahara等人[7]采用脈寬為8ns的激光器、ICCD相機和光譜儀，研究了激光誘導擊穿空氣不同激光能量下等離子體羽流演化過程，發現等離子體溫度對入射激光能量的弱依賴性。陳朗等人[8]采用高速相機研究激光持續時間內的形成與演化過程，并從理論上分析、計算羽流速度、壓力和溫度。現有實驗多基于脈沖激光作用結束后，研究微秒量級等離子體羽流演化過程，而對于納秒脈沖激光輻照期間等離子體羽流的形成與演化過程研究較少。

本文設計高精度時間分辨羽流觀測系統，記錄距離靶面約2mm內的等離子體羽流圖像，研究納秒激光輻照期間以及激光作用后的等離子體羽流形成與演化過程。

1 實驗系統設計

實驗系統如圖1所示，由激光器、ICCD相機、光電探測器、數字脈沖信號發生器、數字示波器、電腦等儀器構成。激光器為Nimma-400型號Nd：YAG固體激光器，波長1064nm，最大能量為450mJ。數字示波器型號為DPO7104C。ICCD相機為Princeton Instruments公司的PI-MAX3，最短曝光時間為3ns，但兩次拍攝間隔時間過長，實驗需要采用重復實驗方法。

圖1 實驗系統原理圖Fig.1 The schematic diagram of experimental system

實驗采用激光器的外觸發模式，通過數字脈沖信號發生器DG645的兩路信號控制激光器的氙燈和Q開關。由于該激光器采用調Q技術，激光器出光時間存在納秒級偏差，因此DG645控制Q開關的信號同時輸入到示波器，并與光電探測器輸入到示波器的信號對比，測量激光器出光延遲時間。DG645的一路信號控制ICCD相機的工作時間，同時該信號輸入到示波器。相機通過光纖與電腦連接。實驗通過WinView軟件調節相機工作狀態，將相機AUX-OUT接口輸出信號延時設為相機的拍攝延遲時間。以激光器出光時間作為零時刻，示波器顯示光電探測器捕獲到的激光器出光信號與AUX-OUT信號的差值，即為相機拍攝到的等離子體羽流所處時刻。如圖2所示，通道1為激光器出光信號，通道2為Q開關打開信號，通道3為觸發相機工作信號，通道4為AUX-OUT信號。實驗通過DG645設定ICCD相機工作時間，以拍攝到不同時刻的等離子體羽流。

圖2 時序示意圖Fig.2 Timing diagram

2 實驗結果與分析

2.1 時空標定結果

由于Q開關激光器出光時間不穩定，因此本文在實驗前先對激光器的出光時間進行測定，確定其波動范圍，同時測量激光脈寬和激光能量。將DG645、光電探測器、激光器、能量計和數字示波器電源打開，設定脈沖次數為100次。數字示波器測量結果：激光器出光延遲時間均值為1044ns，激光脈寬均值為12.3ns。通過WinView軟件設定ICCD相機曝光時間為3ns。為獲得清晰的等離子體圖像，實驗前還需對相機成像區域的尺寸進行標定。實驗采用USAF 1951分辨率板，圖3為標定結果，對應2組3至5單元。查表得2組4單元的線寬為88.39，對應像素點為50個。

2.2 激光脈沖期間等離子體羽流特性分析

圖3 成像區域標定Fig.3 The calibration of image region

實驗中，能量計測得激光能量均值為92mJ。激光經透鏡聚焦后，形成的光斑直徑為548μm。首先，對實驗的可重復性進行驗證，本文拍攝了同一時刻的多張等離子體羽流圖像，并進行偽彩色處理，如圖4所示，紅色箭頭為激光入射方向。從圖4可知，同一時刻的紅色區域略有不同，而等離子體羽流整體大小和形狀相似。由于每次實驗時，碳靶表面并非處處相同，激光輻照區域的材料形狀和性能也不相同，導致由激光燒蝕靶材表面產生的等離子體核心區域存在差異；而每次實驗靶面周圍氣體成分、性能可以認為相同，因此紅色的等離子體核心之外的區域相同。綜上所述，本次重復實驗的結果可以用來分析等離子體羽流特性。

圖4 6～15ns等離子體羽流圖像Fig.4 Plasma plume image from 6ns to 15ns

圖5是0～3ns的等離子體羽流圖像，紅色箭頭為激光入射方向。從圖5（a）中可以看出，在2ns、3ns時能清楚看到等離子體羽流，且為扁平狀。圖5（b）為偽彩色處理結果，可以更清楚的看出等離子體羽流形狀為扁平狀。為確定等離子體羽流早期的形狀，本文繼續拍攝了3ns以后的等離子體羽流圖像。如圖6所示，3～5ns的等離子體羽流呈現出扁平狀，這與Porneala和Willis[9]實驗早期的羽流結果相似。在6ns時羽流表現出半球形，而6ns正好對應激光脈沖峰值時刻，可以認為：在激光脈沖峰值前，激光輻照靶材產生的等離子體羽流呈扁平狀。如圖4所示，6ns～12ns期間，等離子體羽流以半球形向外擴展；紅色的高溫高壓等離子體核心區域不斷增大；且從核心區域向外，等離子體溫度逐漸降低。

圖5 0～3ns等離子體羽流圖像Fig.5 Plasma plume image from 0ns to 3ns

圖6 3～6ns等離子體羽流圖像Fig.6 Plasma plume image from 3ns to 6ns

2.3 激光脈沖后等離子體羽流特性分析

從圖7中可以看出在6ns時靶面附近形成了一個高溫高壓的等離子體核（Plasma core），隨著時間的增加，等離子體核不斷增大直至消失；圖中藍色邊緣為等離子體羽流前沿（Plasma plume front）在12ns內快速向外擴外擴展。圖8顯示，等離子體羽流在15ns之后向外擴展速度逐漸減緩，21ns之后軸向（靶面外法向）擴展速度較徑向（垂直于靶面外法向）擴展速度快。測量15ns時等離子體核位置時，發現等離子體核已脫離靶面約30μm。在70ns時，等離子體羽流已基本脫離靶面，并且等離子體核在不斷變小。等離子體羽流在324ns時消失。從等離子體核心區域的尺寸和顏色變化，可以發現：激光脈沖結束后，等離子體核脫離靶面繼續向外擴展，但膨脹速度降低；等離子體核心區域的等離子體溫度下降，達到臨界值后，等離子體核變小直至消失。

圖7 不同延遲時間的等離子體羽流圖像Fig.7 Images of plasma plume at various time delays

圖8 羽流前沿與延遲時間的散點圖Fig.8 The scatter plot of plume front and delay time

3 結論

本文設計了高精度羽流觀測系統，記錄脈沖激光與碳靶相互作用的過程，獲取了羽流形成與傳播特性。在脈沖激光峰值前，等離子體羽流呈扁平狀，且未出現高溫高壓的等離子體核。脈沖激光峰值后，靶面附近出現等離子體核，等離子體羽流呈半球形；隨著激光能量注入，等離子體核區域和等離子體羽流前沿均快速向外擴展，但未脫離靶面。在激光脈沖結束后，等離子體核脫離靶面，等離子體羽流前沿向外擴展速度減緩。