空氣中YAG激光誘導(dǎo)Cu等離子體羽的研究

喬紅貞

(商丘師范學(xué)院物理與電氣信息學(xué)院，河南商丘 476000)

0 引言

近年來，激光憑借其超短持續(xù)時間、較高峰值功率和良好的相干性，呈現(xiàn)出許多新奇的物理現(xiàn)象，在許多行業(yè)都有廣闊的應(yīng)用前景，比如在噴涂、流體力學(xué)和內(nèi)爆壓縮、堆焊制備超細(xì)粉末、微量元素定量分析、處理有害廢棄物、國家醫(yī)療衛(wèi)生、鍍膜、環(huán)境和文物保護等眾多領(lǐng)域都得到了成功地應(yīng)用［1－4］．在激光與物質(zhì)的相互作用過程中所誘導(dǎo)產(chǎn)生的激光等離子體，研究起來比較困難，是一個比較復(fù)雜的涉及多種動力學(xué)機制的一個物理過程;而發(fā)射光譜法因為自身的特性，研究等離子體內(nèi)部的信息相對來說就比較方便，比如不用預(yù)先對樣品進行復(fù)雜的處理就可以用激光探測樣品，檢測樣品時，發(fā)射光譜法相對來說靈敏度高、用時短、又可以遠(yuǎn)程測量，而且對分析樣品的破壞性極其小．在實際操作應(yīng)用中激光器一般都是在正常的大氣環(huán)境中完成的，所以分析大氣環(huán)境中的激光等離子體的特征信息具有現(xiàn)實意義．本文采用1064 nm的YAG脈沖激光與空氣中的銅靶作用誘導(dǎo)產(chǎn)生激光等離子體，研究了激光等離子體羽在空氣中的光譜的特征和其空間演化特性．

1 實驗裝置

圖1 實驗裝置簡圖

在空氣中，由YAG脈沖激光器發(fā)出激光脈沖，其中激光的波長為1064 nm、脈寬為10 ns，透過位置可以調(diào)節(jié)的石英透鏡(焦距為f1=30 mm)會聚在Cu靶面(厚度為1．5 mm，直徑為30 mm，材料純度大于99.9%)附近，燒蝕產(chǎn)生的等離子體透過透鏡(焦距為f2=15 cm)，等大成像于單色儀的入射狹縫上，其中焦距為f2透鏡到狹縫距離和探測位置的距離相等．經(jīng)過常規(guī)簡單預(yù)處理的Cu靶固定在襯架上，其中襯架用絕緣材料制作的．調(diào)節(jié)透鏡的位置也即調(diào)節(jié)聚焦點與靶面的位置，得到離焦量l的三種取值方式:(a)l＞0:焦點在靶前;(b)l=0:焦點在靶面;(c)l﹤0:焦點在靶后．激光誘導(dǎo)Cu靶產(chǎn)生等離子體光譜的實驗裝置如圖1所示．激光如果一直作用于銅靶的某一個方位，容易形成燒蝕坑，在采集光譜信號的時候會受到影響，為了避免這種情況發(fā)生，把銅靶安置在步進電機上，這樣就可以調(diào)節(jié)銅靶，使其繞軸勻速旋轉(zhuǎn)．通過對等離子體的光譜信號強度變化判斷，步進電機的轉(zhuǎn)動可以忽略．為了探測等離子體空間光譜，需要調(diào)節(jié)狹縫的位置，實驗中選用600/mm的光柵，探測系統(tǒng)的空間移動精度約為100 μm，在靶面法線方向上，通過調(diào)節(jié)狹縫的位置，能采集到距離Cu靶面不同距離處的空間分辨譜．

2 實驗結(jié)果和討論

2．1 等離子體發(fā)射譜

圖2 空氣中激光誘導(dǎo)Cu等離子體光譜

圖3 等離子體光譜的空間演化

表1 特征譜線中銅原子的部分信息

采用40 mJ/pulse激光能量作用于空氣中的銅靶，當(dāng)離焦量較大，激光脈沖聚焦于空氣的瞬間，可觀測到聚焦點處出現(xiàn)明亮的火花，并能聽到較大的響聲;隨著離焦量變小，除了在聚焦點處能觀察到空氣火花外，在Cu靶前也逐漸形成一個明亮的火花;離焦量接近于0，并小于0時，空氣中的火花越來越小，最后看不到了，不過在靶前仍然能看到在銅靶面朝外有一個毛筆型的白熾色的等離子體羽．

離焦量為零時得到空氣中波長范圍為440－575 nm的激光等離子體光譜，在等離子體光譜的連續(xù)譜上分布有許多比較明顯的特征譜線，如圖2所示．這些特征譜線是離子與原子之間的躍遷所產(chǎn)生，通過比對發(fā)現(xiàn)主要是銅原子和離子譜，以及部分的氮離子譜．其中Cu原子為CuⅠ465．11 nm，CuⅠ470．46 nm，CuⅠ510．55 nm，Cu Ⅰ515．32 nm，Cu Ⅰ521．82 nm 和Cu Ⅰ529．25 nm，Cu離子譜為 Cu Ⅱ467．48 nm，N 離子譜線為NⅡ500．52 nm和NⅡ517．95 nm．在表1中給出了部分銅原子特征譜的信息．在N離子譜線位置處有遍布有許多小的峰線較寬的譜線，在譜線N離子特征譜線附近的許多小的峰主要是由多組躍遷產(chǎn)生，這些N離子的信息可以NIST［5］中查到．連續(xù)譜源于自由電子與原子和離子的劇烈碰撞及自由電子與離子的復(fù)合輻射［6］．

2．2 空間譜

離焦量為－2 mm時特征光譜相對比較明顯，如圖3給出了430－580范圍內(nèi)的Cu等離子體空間光譜圖，在圖3中可以看出，特征譜線有較強的連續(xù)背景輻射，接近靶面附近有0．5 mm的等離子體連續(xù)輻射區(qū)，與聚焦于靶面的情況圖2相比，在圖3中NⅡ譜線已經(jīng)很微弱，有些特征譜線中已經(jīng)不能明顯觀察到，而CuⅠ的特征譜線相對于圖2中編的比較強，有非常明顯的特征譜線特征，相對于其它離焦量的特征譜線來說，其特征譜線強度最大，譜線強度峰值出現(xiàn)在距靶面0．75 mm附近．

2．3 等離子體形成過程分析

在激光脈沖能量為40 mJ/pulse時，在低氣壓的室內(nèi)產(chǎn)生的等離子體羽是一個邊界模糊的錐形淡綠色的等離子體羽，而隨外界的氣壓的增大而變小，顏色有淺變深．在空氣環(huán)境下，等離子體羽呈現(xiàn)較小的明亮的白熾色．由表1可以看出，銅的特征譜線中綠色的譜線視見函數(shù)比較高，但是由于實驗是在空氣完成的，受空氣的影響，所以觀測的等離子體羽的顏色不是綠色．在空氣中我們觀測的等離子體光譜中，經(jīng)分辨有CuⅠ、CuⅡ、NⅡ等粒子，這些粒子是激光與銅靶相互作用的產(chǎn)物．激光的粒子能量約1．7 eV，忽略激光能量在透過透鏡增加的衍射損耗和在空氣中傳輸時的能量損耗，一個光子能量不足以激發(fā)和電離產(chǎn)生這些粒子，因為CuⅠ的激發(fā)能量大于2 eV，直接電離產(chǎn)生CuⅡ、NⅡ粒子更是不可能，所以圖2和圖3中的譜線中的特征譜線是多光子電離和高能電子與離子和原子的碰撞激發(fā)與復(fù)合輻射產(chǎn)生．Cu粒子產(chǎn)生過程如下:

［1］Ciucci A，Palleschi V，Ribezzo S，et al．Trace pollutants analysis in soil by a time－resolved laser－induced breakdown spectroscopy technique［J］．Appl．Phys．B，1996，63(2):185．

［2］Jordan R，Cole D，Lunney J G，et al．Pulsed laser ablation of copper［J］．Appl．Surf．Sci．，1995，86(1):24－28．

［3］Multi－element Saha– Boltzmann and Boltzmann plots in laser－induced plasmas J．A Aguil－era，C．Aragón Spectrochimica Acta Part B，2007，62:378 –385．

［4］CIUCCI A，PALLESCHI V，RIBEZZO S，et al．Trace pollutants analysis in soil by a t－ime－resolved laser－induced breakdown spectroscopy technique，Applied Physics B，1996，63(2):185－190．

［5］NIST Atomic Spectra Database(ADS)［EB/OL］．a(chǎn)vailable online:http://:physics．nist．gov/．2008．

［6］蘇茂根，陳冠英，張樹東，等．激光誘導(dǎo)Cu等離子體光譜的空間特性研究［J］．應(yīng)用激光，2004，24(6):409－412．