納秒激光誘導(dǎo)銅等離子體中原子激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的瞬態(tài)特性研究*

劉世炳劉院省 何潤 陳濤

(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京100124)

(2009年10月30日收到;2009年11月23日收到修改稿)

納秒激光誘導(dǎo)銅等離子體中原子激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的瞬態(tài)特性研究*

劉世炳?劉院省 何潤 陳濤

(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京100124)

(2009年10月30日收到;2009年11月23日收到修改稿)

利用時間分辨光譜技術(shù)，研究了激光誘導(dǎo)Cu等離子體中激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的形成及其輻射躍遷的瞬態(tài)特性.結(jié)果表明:在激發(fā)態(tài)5s′4D7/2原子的制備過程中，電子離子復(fù)合、粒子間碰撞機理在不同時刻分別起主導(dǎo)作用.激光峰值到達金屬表面后500 ns期間，粒子間的劇烈碰撞作用使得激發(fā)態(tài)5s′4D7/2主要通過向低能態(tài)4p′4F9o/2躍遷來轉(zhuǎn)移能量.500 ns以后，激發(fā)態(tài)5s′4D7/2通過以相同的概率輻射CuI465.11nm和CuI529.25nm特征譜線向低能態(tài)4p′4F9o/2和4p′4D7o/2轉(zhuǎn)移能量.

激光燒蝕，時間分辨光譜，等離子體輻射，能量轉(zhuǎn)移

PACC:3150，3220J，3580B，5250J

1. 引言

深入認識光化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程，探索控制光化學(xué)反應(yīng)的有效途徑，是科學(xué)家長期奮斗的目標［1，2］.原子激發(fā)態(tài)作為光化學(xué)反應(yīng)的基本單元，一直以來都是人們重點研究的對象.利用脈沖激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的等離子體來制備原子激發(fā)態(tài)，是一種便捷、高效的手段［3—7］.鑒于等離子體內(nèi)部粒子間相互作用的復(fù)雜性，原子激發(fā)態(tài)的形成機理，目前仍是眾說紛紜，沒有統(tǒng)一、明確的物理解釋.如，Sdorm等人認為原子激發(fā)態(tài)源于團簇或顆粒被電子汽化、激發(fā)后退激的過程［8］.Timmer等人則指出電子-離子復(fù)合是原子激發(fā)的重要因素［9］.Chen等人的研究表明碰撞激發(fā)是原子激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的主要機理［10］.對等離子體中原子激發(fā)態(tài)瞬態(tài)特性的深入研究，不僅能明確原子激發(fā)態(tài)的形成機理、能量轉(zhuǎn)移過程等諸多根本問題，而且對于進一步控制原子激發(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)移、以至實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的有效控制都十分必要.銅原子偶宇稱激發(fā)態(tài)5s′4D7/2，其產(chǎn)生和衰變涉及多個重要物理過程，能夠全面反映激光誘導(dǎo)銅等離子體中原子激發(fā)態(tài)的動力學(xué)演化過程.因此，本文采用時間分辨光譜技術(shù)研究納秒脈沖激光與金屬銅相互作用產(chǎn)生激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的動力學(xué)演化過程，包括電子-離子復(fù)合、高能態(tài)原子碰撞退激發(fā)、低能態(tài)原子碰撞激發(fā)等過程，探索了對激發(fā)態(tài)5s′4D7/2制備起主導(dǎo)作用的時間范圍，討論了激發(fā)態(tài)5s′4D7/2通過輻射特征譜線CuI465.11nm和CuI529.25nm轉(zhuǎn)移能量的瞬態(tài)過程.

圖1 瞬態(tài)光譜實驗裝置

2. 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.Nd:YAG激光器產(chǎn)生的波長1064nm、脈寬27 ns、最大單脈沖能量800 mJ的激光，經(jīng)偏振分束棱鏡SP分成兩束，一束送入能量計EM(Newport Model:2835-C，Model:818E-20-50-F)進行輸出能量監(jiān)視，另一束經(jīng)半波片HW、偏振片P調(diào)節(jié)能量后，由反射鏡BP(R=99%)反射，經(jīng)石英透鏡L1(焦距f=80mm)聚焦于Cu靶表面，產(chǎn)生等離子體，激光焦斑直徑約200μm.等離子體產(chǎn)生的光譜由石英透鏡L1收集后，經(jīng)透鏡L2(焦距f=25mm)耦合進入光纖，等離子體光譜經(jīng)光譜儀(Acton Model:2500i;Grating:1200 g/mm)分光后，由ICCD(PI Model:7397－0005)采集，采集數(shù)據(jù)送計算機處理并顯示(實驗光路中未畫出計算機)，ICCD曝光時間精度2 ns.光譜儀與激光脈沖的同步是通過激光器輸出的TTL信號同步觸發(fā)光譜儀的延時裝置PTG(PI Model:7501－0001)來實現(xiàn)的(實驗光路中未畫出電信號的連接線)，TTL觸發(fā)信號的電抖動小于1 ns.實驗前，用示波器(Agilent Model:DSO7052 A)及光電探頭(Newport Model: 818-BB-22)測得激光脈沖的峰值半高寬為27 ns;光譜儀用標準Hg燈光源(PI Model:MS-416)進行譜線位置校準，用氙燈標準連續(xù)譜光源進行衍射效率校準;實驗樣品為純Cu(Purity:≥99.99%)，用砂紙磨平后，由顆粒直徑2μm的拋光液拋光;靶材置于二維電動移動臺MS上，通過調(diào)節(jié)移動臺的移動速度，激光脈沖每次都打在Cu靶的新位置上，保證了重復(fù)事件的穩(wěn)定性.

3. 實驗結(jié)果及分析

峰值功率密度2.59×1010W/cm2的納秒激光脈沖作用于Cu靶，產(chǎn)生等離子體的輻射譜線如圖2所示.實驗在大氣中進行，激光燒蝕金屬Cu的過程中，空氣中N原子、O原子等，也參與相互作用，形成各種原子和離子激發(fā)態(tài)，同時輻射相應(yīng)的特征譜線.本文關(guān)心的是與Cu原子激發(fā)態(tài)5 s′4D7/2相關(guān)的兩條特征譜線即CuI465.11nm和CuI529.25nm.表1給出了產(chǎn)生這兩條特征譜線的躍遷過程，及相應(yīng)原子激發(fā)態(tài)的電子結(jié)構(gòu)和能級信息［11］.

圖2 激光誘導(dǎo)Cu等離子體在445—540nm波段的發(fā)射光譜

表1 CuI465.11nm和CuI529.25nm的躍遷能級信息

3.1. Cu原子偶宇稱態(tài)5s′4D7/2的形成機理

圖3及圖4示出了特征譜線CuI465.11nm和CuI529.25nm的動力學(xué)演化過程.本文取激光脈沖峰值達到Cu靶表面的時刻為時間零點，圖中負時刻表示激光脈沖前沿先于激光峰值達到金屬表面的時間.激光到達Cu靶表面瞬間，金屬導(dǎo)帶電子通過逆韌致過程吸收激光能量，隨后經(jīng)與金屬晶格碰撞，將吸收的激光能量轉(zhuǎn)換為金屬表面溫度的升高［12，13］.在激光峰值到達之前，金屬表面在激光脈沖前沿的作用下，經(jīng)歷了融化、蒸發(fā)、汽化、形成等離子體等一系列復(fù)雜的相變過程［14，15］.時間分辨光譜檢測結(jié)果顯示激光峰值到達靶表面之前約25 ns時，等離子體形成，同時伴隨著連續(xù)光譜出現(xiàn).隨著后續(xù)激光脈沖與等離子體中原子、團簇等粒子碎片的進一步相互作用，等離子體的密度逐漸增大.圖3 (a)及圖4(a)表明，激光峰值過后約10 ns，等離子體連續(xù)譜輻射強度達到極大值.隨后，由于脈沖后沿的激光能量不斷變?nèi)?，等離子體中離子的產(chǎn)生速率低于其復(fù)合速率，離子密度開始降低，輻射連續(xù)譜的強度逐漸下降.直至激光峰值過后約25 ns時，等離子體輻射的連續(xù)譜上疊加出現(xiàn)較弱的特征譜線CuI465.11及CuI529.25nm，表明等離子體在電子-離子復(fù)合過程中開始形成［Ar］3d94s(3D3)5s電子結(jié)構(gòu)，偶宇稱激發(fā)態(tài)5s′4D7/2上出現(xiàn)粒子布居.在激光峰值過后約200 ns這段時間內(nèi)，特征譜線CuI465.11及CuI529.25nm的輻射強度隨時間逐漸上升，這是由于等離子體內(nèi)部的離子通過與電子復(fù)合，形成大量偶宇稱激發(fā)態(tài)5s′4D7/2，且其形成速率高于消耗速率.在200 ns時，激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的累積與消耗速率達到平衡，兩條特征譜線的輻射強度出現(xiàn)極大值.200 ns以后，連續(xù)譜輻射強度降到最低，等離子體消失，電子離子通過復(fù)合制備激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的機理可以忽略.

圖3 CuI465.11nm的時間演化光譜(a)－50—300 ns過程;(b)300—1500 ns過程

圖4 CuI529.25nm的時間演化光譜(a)－50—300 ns過程;(b)300—1500 ns過程

圖5 CuI465.11nm和CuI529.25nm發(fā)射強度的半高全寬隨時間的演化

圖5示出了特征譜線CuI465.11及CuI529.25nm半高全寬隨時間的變化.在激光峰值過后的200—500 ns期間，兩條特征譜線半高全寬較大，并隨時間下降，表明粒子間存在著劇烈的碰撞作用，同時這種碰撞作用隨時間變?nèi)?在此期間，低能態(tài)原子的碰撞激發(fā)、高能態(tài)原子的碰撞退激發(fā)過程成了激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的主要制備機理，制備過程如為

3.2. Cu原子偶宇稱態(tài)5s′4D7/2的能量輻射轉(zhuǎn)移過程

在Cu原子偶宇稱激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的整個動力學(xué)演化過程中，其粒子布居數(shù)始終處于動態(tài)變化中.一方面，電子-離子復(fù)合、低能態(tài)原子碰撞激發(fā)、高能態(tài)原子碰撞退激發(fā)等物理機理，不斷制備5s′4D7/2激發(fā)態(tài)原子;另一方面，該激發(fā)態(tài)原子又通過輻射特征譜線，不斷消耗制備的激發(fā)態(tài)5s′4D7/2原子.圖6示出了CuI465.11nm和CuI529.25nm兩條特征譜線強度隨時間的演化過程.輻射初期，兩條特征譜線的輻射強度均隨時間上升，表明5s′4D7/2激發(fā)態(tài)上原子數(shù)量的累積速率大于其消耗速率.在約200 ns處，原子激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的累積速率和消耗速率達到平衡，兩條特征譜線的輻射強度均達到極大值.此后，隨著等離子體的消失，激發(fā)態(tài)原子的消耗速率超過其累積速率，CuI465.11nm和CuI529.25nm的輻射強度隨時間下降.500 ns之前，粒子間存在劇烈的相互作用，Cu原子4s5s電子的自旋角動量與軌道角動量耦合嚴重，躍遷過程5s′4D7/2→4p′4D7/2(ΔL=0，ΔJ=0)較躍遷過程5s′4D7/2→4p′4F9o/2(ΔL=1、ΔJ=1)更難發(fā)生［16］，因此CuI465.11nm輻射強度高于CuI529.25nm的輻射強度.在激光峰值過后的25—500 ns期間，激發(fā)態(tài)5s′4D7/2主要通過輻射特征譜線Cu I 465.11nm來轉(zhuǎn)移能量. 500 ns之后，隨著粒子間碰撞作用的消失，Cu原子4s5s電子的自旋與軌道角動量脫耦，激發(fā)態(tài)通過上述兩個躍遷過程轉(zhuǎn)移能量的概率逐漸趨于一致，并且在1000 ns以后，激發(fā)態(tài)5s′4D7/2以幾乎相同的幾率通過輻射CuI465.11nm及CuI529.25nm兩條特征譜線向低能態(tài)4p4F9o/2和4p′4D7/2轉(zhuǎn)移能量.圖7總結(jié)了Cu原子激發(fā)態(tài)5s′4D7/2在不同時間范圍內(nèi)的產(chǎn)生機理及能量轉(zhuǎn)移機理.

圖6 CuI465.11nm和CuI529.25nm的輻射強度隨時間的演化

圖7 Cu原子激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的產(chǎn)生機理及其能量轉(zhuǎn)移過程

4. 結(jié)論

納秒激光脈沖誘導(dǎo)等離子體輻射初期，連續(xù)輻射主要源于自由電子的韌致輻射以及電子-離子的復(fù)合過程.在激光脈沖峰值到達Cu靶表面后的25—200 ns期間，電子-離子復(fù)合是生成Cu原子激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的主要機理;200—500 ns期間，低能態(tài)Cu原子的碰撞激發(fā)和高能態(tài)Cu原子的碰撞退激發(fā)過程是激發(fā)態(tài)5s′4D7/2的主要制備機理;500 ns之前，粒子間的劇烈碰撞作用使得激發(fā)態(tài)5s′4D7/2主要通過向低能態(tài)4p′4F9/2躍遷來轉(zhuǎn)移能量.500 ns以后，激發(fā)態(tài)5s′4D7/2以幾乎相同的概率通過輻射CuI465.11nm和CuI529.25nm向低能態(tài)4p′4F9o/2和4p′4Do7/2轉(zhuǎn)移能量.

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*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10974010)，Beijing Technological Innovation Plan(Grant No. 1010005466903)，Bejing University of Technology Ph.D.Innovation Plan 2009.

?E-mail:sbliu@bjut.edu.cn

Instantaneous characteristics of excited atom state 5s′4D7/2in the copper plasma induced by laser

Liu Shi-Bing?Liu Yuan-Xing He Run Chen Tao
(Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)
(Received 30 October 2009;revised manuscript received 23 November 2009)

The formation of excited atom state 5s′D7/2and its transition process in the copper plasma induced by nanosecond pulse laser are studied by the time-resolved spectrum technology.The experimental results indicate the recombination of electron and ion and the collisions among particles each play a dominent role in forming excited atom state 5s′D7/2at different tims during its evolvement.When the collisions among particles are severe，the excited atom state 5s′D7/2mainly transits to low energy atom state 4p′4F9o/2.500 ns after the peak of laser pulse arriving at target surface，the excited state 5s′D7/2transited to 4p′4F9o/2and 4p′4D7/2with the same probabilities by emitting lines CuI465.11nm and CuI529.25nm respectively.

laser ablation，time-resolved spectrum，plasma radiation，energy transfer

book=455,ebook=455

*國家自然科學(xué)基金(批準號:10974010)，北京市科技創(chuàng)新平臺(批準號:1010005466903)，2009年北京工業(yè)大學(xué)博士創(chuàng)新計劃資助的課題.

?E-mail:sbliu@bjut.edu.cn