低壓環(huán)境下激光入射角對激光誘導(dǎo)等離子體影響研究

楊 帆, 郝留成, 柯 偉, 劉 慶, 王 俊, 陳敏源, 袁 歡*,

楊愛軍2, 王小華2, 榮命哲2

1. 平高集團(tuán)有限公司技術(shù)中心, 河南 平頂山 467000

2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710049

引 言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)技術(shù)是20世紀(jì)60年代建立起來的一種物質(zhì)成分分析測試技術(shù)。 主要原理是利用聚焦后的高能脈沖激光照射樣品表面, 樣品在脈沖激光照射下經(jīng)過加熱、 燒蝕、 解離、 激發(fā)、 電離等過程形成由大量電子、 離子、 中性粒子等組成的激光等離子體, 等離子體內(nèi)部粒子的相互作用會(huì)產(chǎn)生與樣品元素相關(guān)的特定波長電磁輻射, 利用光學(xué)探測系統(tǒng)收集、 分析等離子體產(chǎn)生的輻射即可知道樣品所含物質(zhì)元素。 通常情況下, 脈沖激光經(jīng)聚焦后的光斑尺寸在數(shù)百微米量級(jí), 激光單次轟擊樣品的深度在數(shù)十納米量級(jí), 單次燒蝕樣品的質(zhì)量在微克量級(jí), 對常規(guī)樣品來說是一種無損檢測。 此外, LIBS技術(shù)還具有無需樣品制備、 易于使用、 檢測速度快以及可在線檢測等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛用于元素分析[1-2]、 環(huán)境保護(hù)[3]、 深空探測[4-5]、 材料分類檢測[6-7]、 生物醫(yī)學(xué)檢測[8-9]等諸多領(lǐng)域。

近年來, 西安交通大學(xué)的研究人員提出了一種基于激光誘導(dǎo)等離子體技術(shù)的真空開關(guān)真空度檢測技術(shù)[10-13], 突破了真空開關(guān)真空度在線檢測的技術(shù)瓶頸。 該技術(shù)利用脈沖激光轟擊真空滅弧室屏蔽罩表面, 采集激光等離子體輻射強(qiáng)度特征, 根據(jù)激光等離子體輻射強(qiáng)度特征提取待測真空開關(guān)真空度。 激光誘導(dǎo)等離子體的形成和湮滅是一個(gè)十分復(fù)雜的過程, 既有經(jīng)典物理過程(熱傳遞、 熔融、 燒蝕), 又有量子物理過程(能級(jí)躍遷、 光譜輻射), 受激光能量、 激光入射角度、 樣品溫度、 環(huán)境氣壓等諸多因素的影響, 任何一個(gè)因素都會(huì)顯著影響激光等離子體的生成, 進(jìn)而影響等離子體光譜。 激光入射角是激光誘導(dǎo)等離子體過程的關(guān)鍵影響因素之一, 盡管有研究人員對激光誘導(dǎo)等離子體過程中激光入射角的影響進(jìn)行了研究, 比如: Wu等[14]在真空下利用脈沖激光從不同角度轟擊靶材, 對激光等離子體進(jìn)行光譜分析, 結(jié)果表明隨著脈沖激光入射方向偏離靶材表面法線的角度逐漸增大, 等離子體光譜強(qiáng)度、 等離子體溫度、 電子密度逐漸降低; 石嘯松等[15]分析了激光從不同角度入射誘導(dǎo)水等離子體時(shí)產(chǎn)生的聲波信號(hào), 發(fā)現(xiàn)隨著脈沖激光偏離法線角度逐漸增大聲波信號(hào)逐漸減弱; 這意味著激光入射角對激光誘導(dǎo)等離子體過程有著顯著的影響。 但是, 以上研究都沒有從激光入射方向(此方向與基于激光誘導(dǎo)等離子體技術(shù)的真空開關(guān)真空度檢測技術(shù)中對等離子體信息進(jìn)行采集的方向相同)對激光等離子體進(jìn)行研究分析, 并未對激光入射角對激光等離子體影響的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行研究。 首先, 激光入射角的變化會(huì)導(dǎo)致脈沖激光在靶材表面的聚焦光斑形態(tài)發(fā)生變化, 進(jìn)而直接影響到脈沖激光誘導(dǎo)等離子體過程; 其次, 等離子體沿著入射激光相反的方向擴(kuò)散速度更快[16], 因此入射角的改變也會(huì)直接影響到等離子體的膨脹過程。 但是在低壓環(huán)境下, 激光入射角對激光等離子體形貌的影響尚未明確, 為優(yōu)化LIBS技術(shù)實(shí)驗(yàn)參數(shù), 需要對激光入射角影響激光等離子體的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行更加深入的研究。 本文采用同軸成像的方法, 研究了不同氣壓下脈沖激光斜入射誘導(dǎo)產(chǎn)生的激光等離子體形貌, 通過對聚焦光斑進(jìn)行仿真分析和燒蝕坑進(jìn)行微觀分析闡明了入射角對激光誘導(dǎo)等離子體過程影響的內(nèi)在機(jī)制。 本工作有助于明確入射角對等離子體影響的內(nèi)在機(jī)制和實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

為了研究激光入射角對激光等離子體的影響, 模擬LIBS實(shí)驗(yàn)中激光與樣品表面可能出現(xiàn)的偏角入射狀態(tài), 搭建了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括用于模擬真空開關(guān)內(nèi)部狀態(tài)的真空腔部分和用于產(chǎn)生激光等離子體并成像的光路部分。 本實(shí)驗(yàn)將光路部分中激光光路和等離子體采集光路復(fù)用, 通過二向色鏡(反射波長: 420～900 nm, 透射波長: 990～1 600 nm)將等離子體采集光路從激光光路中分離出來。 靶材放置于真空腔內(nèi)的控制臺(tái)上, 控制臺(tái)可以在靶材所在平面上運(yùn)動(dòng), 同時(shí)也可以繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 靶材料為T2紫銅, 主要元素成分包括99.95%的Cu, 0.05%的Zn、 Mn、 P、 Ni、 Sb、 Al、 Sn、 Fe等雜質(zhì)。 采用電阻真空計(jì)和熱陰極電離真空計(jì)組成量程范圍為5.0×10-5～1.0×105Pa的復(fù)合真空計(jì)作為本實(shí)驗(yàn)的真空度測量設(shè)備。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

激光等離子體產(chǎn)生和成像器件主要包括ICCD(intensified charge coupled device)、 微距鏡頭, 對激光等離子體進(jìn)行成像; 利用Nd∶YAG脈沖激光器(Quantel Q-Smart 850, 法國)產(chǎn)生脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體, 脈沖激光波長為1 064 nm, 脈寬約為6 ns, Q-Switch信號(hào)觸發(fā)ICCD(Andor IstAR-SCMOS-18U-04, 英國)相機(jī)進(jìn)行成像, 最終由ICCD收集到的等離子體光波長范圍為400～800 nm, 中性濾光片用于調(diào)整脈沖激光能量。 激光器產(chǎn)生的脈沖激光透過二向色鏡經(jīng)焦距為150 mm的石英玻璃材質(zhì)的平凸透鏡聚焦在靶材上, 等離子體光經(jīng)聚焦透鏡、 二向色鏡以及短波通濾波片(透射波長: 280～1 000 nm)成像于ICCD, 短波通濾波片濾掉可能存在的高能脈沖激光, 保護(hù)ICCD。 在本實(shí)驗(yàn)中, Nd∶YAG脈沖激光器的激光信號(hào)與Q-Switch信號(hào)之間的延遲已設(shè)置為ICCD內(nèi)部的固有響應(yīng)延遲, ICCD的響應(yīng)延遲設(shè)定為400 ns, 即在脈沖激光峰值時(shí)刻之后400 ns開始采集等離子體信號(hào), 門寬設(shè)定為100 ns, 增益為0, 激光能量為30 mJ。

為了控制靶材運(yùn)動(dòng), 將靶材放置在真空腔內(nèi)控制臺(tái)上。 控制臺(tái)俯視示意圖如圖2(a)所示, 圖2(b)給出了不同入射角示意圖, 虛線箭頭表示激光入射方向, 同時(shí)也是同軸成像方向。 控制臺(tái)擁有三個(gè)自由度, 靶材可在其所在xz平面上進(jìn)行二維步進(jìn), 同時(shí)也可以繞著中轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。 通過控制靶材的轉(zhuǎn)動(dòng)角度, 模擬不同角度入射, 利用同軸成像方式研究不同激光入射角θ對激光等離子體的影響。

圖2 偏轉(zhuǎn)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 入射角對聚焦光斑的影響研究

本實(shí)驗(yàn)首先對不同入射角的脈沖激光在靶材上形成的聚焦光斑進(jìn)行了仿真, 并與脈沖激光在顯影紙上的聚焦光斑進(jìn)行比較。 高斯光束其電矢量的復(fù)振幅可以表示為式(1)

(1)

式(1)中,x,y,z表示坐標(biāo),A0表示振幅,ω(z)表示z處的光斑半徑,k表示波數(shù),R(z)表示光束等相位面的曲率半徑,φ(z)表示z處的相位。

在不考慮光學(xué)系統(tǒng)的反射、 吸收以及散射等損耗的理想情況下, 光束經(jīng)過薄透鏡后在透鏡的輸出平面上的光波場復(fù)振幅分可表示為

(2)

式(2)中,E(x1,y1)表示輸入平面上光波長的復(fù)振幅分布,f表示透鏡的焦距。 由式(1)和式(2)可得高斯光束經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后的光波場復(fù)振幅分布可表示為

(3)

當(dāng)脈沖激光在垂直于靶材表面的x-z平面旋轉(zhuǎn), 激光入射角與靶材表面法線角度為θ時(shí), 則高斯光束經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后在靶材表面的光波場復(fù)振幅分布可表示為

(4)

對入射角為0°、 15°、 30°、 45°、 60°時(shí)激光在靶材上形成的光斑進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究, 結(jié)果如圖3所示。 圖3(a)是數(shù)值仿真得到的結(jié)果, 箭頭R所示方向表示旋轉(zhuǎn)軸方向, 圖3(b)是聚焦激光在顯影紙上擊打出的光斑在顯微鏡下圖像。 從圖3(a)可以看出, 隨著激光入射角度的增大, 光斑在激光入射面法線方向幾乎不發(fā)生變化, 在垂直于入射面法線方向上逐漸增大, 導(dǎo)致光斑面積增大。 圖3(b)所示顯影紙光斑與仿真結(jié)果有著相同的變化趨勢; 表明隨著激光入射角的增大, 激光的聚焦光斑面積也逐漸增大, 在激光能量保持不變的情況下, 激光功率密度會(huì)隨著入射角的增大而降低。

圖3 光斑圖

2.2 低氣壓下激光入射角對激光等離子體形貌和輻射強(qiáng)度影響研究

采用同軸成像的方式研究了不同氣壓下激光入射角對等離子體的影響。 在本實(shí)驗(yàn)中通過旋轉(zhuǎn)靶材來改變激光入射角度, 研究了1、 10-1、 10-2、 10-3和10-4Pa五個(gè)氣壓下激光入射角為0°、 15°、 30°、 45°、 60°時(shí)激光等離子體的形貌特征。 每個(gè)氣壓下每個(gè)入射角度采集5個(gè)點(diǎn)的激光等離子體圖像, 每個(gè)點(diǎn)在激光打擊前均處于未被激光燒蝕過的潔凈表面上, 避免靶材表面的不規(guī)則性對激光等離子體產(chǎn)生影響。 每個(gè)點(diǎn)轟擊10次, 每次轟擊采集1張圖像, 以此10張圖像的平均值作為該點(diǎn)的激光等離子體圖像。

圖4展示了本實(shí)驗(yàn)的激光等離子體圖像, 圖中箭頭R所示方向表示入射面法線方向, 即靶材旋轉(zhuǎn)軸方向, P所示方向表示垂直旋轉(zhuǎn)軸方向, 綠色虛線表示旋轉(zhuǎn)軸位置。 從圖中可以看出, 在各氣壓下激光等離子體中心輻射強(qiáng)度隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大而下降, 這是因?yàn)殡S著激光入射角的增大, 激光在靶材上的聚焦光斑面積逐漸增大, 在激光能量不變的情況下激光功率密度下降, 靶材料燒蝕效率降低, 使得激光等離子體中心輻射強(qiáng)度隨入射角的增大而下降。

圖4 各氣壓不同入射角時(shí)的激光等離子體圖像

當(dāng)環(huán)境氣壓一定時(shí), 以旋轉(zhuǎn)軸作為參考, 發(fā)現(xiàn)激光入射角增大至30°時(shí), 激光等離子體圖像發(fā)生了明顯的左移, 并且入射角越大, 等離子體左移現(xiàn)象越明顯。 這是因?yàn)槊}沖激光以不同入射角轟擊靶材時(shí), 激光等離子體沿著靶材表面的切向和法線方向擴(kuò)散[14, 17], 如圖2(b)所示, 當(dāng)激光入射角增大時(shí), 從激光入射方向?qū)す獾入x子體進(jìn)行成像時(shí)的觀察角度也逐漸偏離靶材表面的法線方向, 對等離子體觀察角度的變化使得等離子體圖像左移。 入射角一定時(shí), 激光等離子體中心輻射強(qiáng)度隨著環(huán)境氣壓的下降而增強(qiáng), 這與文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[13]的觀察到的結(jié)果相同。

為了更加直觀地觀察激光等離子體圖像強(qiáng)度分布情況, 分別繪制了如圖5所示激光等離子體圖像的強(qiáng)度分布圖, 其中圖5(a)表示激光等離子體圖像在旋轉(zhuǎn)軸方向上激光等離子體圖像強(qiáng)度分布圖, 圖5(b)表示垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向上激光等離子體圖像強(qiáng)度分布圖, 圖中紅色虛線表示旋轉(zhuǎn)軸位置。 從圖5(a)可以看出, 同一氣壓、 不同入射角條件下在旋轉(zhuǎn)軸方向的強(qiáng)度分布相同, 且近似高斯分布; 但是從圖5(b)可以看出, 在垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的激光等離子體圖像強(qiáng)度分布與旋轉(zhuǎn)角度相關(guān), 即在垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向上激光等離子體圖像強(qiáng)度分布與激光入射角相關(guān)。

圖5 激光等離子體圖像強(qiáng)度圖

當(dāng)入射角為0°和15°時(shí), 激光等離子體圖像強(qiáng)度分布與沿著旋轉(zhuǎn)軸方向分布相似, 沒有表現(xiàn)出與激光入射角存在明顯的相關(guān)性。 當(dāng)入射角增大到30°和45°時(shí), 可以明顯發(fā)現(xiàn)等離子體圖像強(qiáng)度分布的強(qiáng)度最大值點(diǎn)向左移動(dòng), 這與圖4的結(jié)論一致; 同時(shí)在旋轉(zhuǎn)軸處存在強(qiáng)度極值, 這一現(xiàn)象在入射角為60°時(shí)也存在。

當(dāng)氣壓為10-3和10-4Pa, 入射角增大至60°時(shí), 等離子體圖像強(qiáng)度分布出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的極值點(diǎn), 其中一個(gè)極值點(diǎn)位于旋轉(zhuǎn)軸處, 另一個(gè)極值點(diǎn)位于旋轉(zhuǎn)軸左側(cè)。 旋轉(zhuǎn)軸處是脈沖激光燒蝕點(diǎn), 燒蝕坑表面殘留的納米顆粒會(huì)釋放黑體輻射[18], 導(dǎo)致該點(diǎn)較其他地方輻射強(qiáng)度更強(qiáng), 輻射時(shí)間更久[19], 在等離子體圖像上表現(xiàn)出相對于其他區(qū)域強(qiáng)度更強(qiáng)的特點(diǎn), 所以該處會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度極值點(diǎn)。 由于本實(shí)驗(yàn)采用同軸成像, 當(dāng)入射角增大至60°時(shí), 可以從等離子體側(cè)面觀察到向前膨脹并且遠(yuǎn)離靶材表面的激光等離子體以及激光燒蝕點(diǎn), 激光等離子體和激光燒蝕點(diǎn)在等離子體圖像強(qiáng)度分布上表現(xiàn)出現(xiàn)兩個(gè)強(qiáng)度極值點(diǎn), 一個(gè)在旋轉(zhuǎn)軸左側(cè), 另一個(gè)在旋轉(zhuǎn)軸處。 為了更加直觀地表現(xiàn)出激光誘導(dǎo)等離子體中心輻射強(qiáng)度隨激光入射角的變化規(guī)律, 本文繪制了各氣壓下激光等離子體輻射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系圖, 如圖6所示。 為了避免激光等離子體反射光的影響, 圖中強(qiáng)度值是該條件下激光等離子體輻射強(qiáng)度最大值的平均值, 誤差棒表示該條件下激光等離子體輻射強(qiáng)度最大值的標(biāo)準(zhǔn)差。 從圖中可以看出, 同一環(huán)境氣壓下, 激光等離子體中心輻射強(qiáng)度隨著入射角度的增大而下降, 同時(shí)還發(fā)現(xiàn)激光入射角度不變時(shí), 激光等離子體中心輻射強(qiáng)度隨著氣壓的下降而增強(qiáng)。

圖6 等離子體輻射強(qiáng)度直方圖

為研究入射角對等離子體中心輻射強(qiáng)度影響程度, 定義輻射強(qiáng)度變化率D, 見式(5)

(5)

式(5)中,D為輻射強(qiáng)度變化率,In為該氣壓下不同入射角的激光等離子體中心輻射強(qiáng)度,I0為該氣壓下垂直入射的激光等離子體中心輻射強(qiáng)度。 本文繪制了如圖7所示各氣壓下激光等離子體中心輻射強(qiáng)度相對于垂直入射時(shí)輻射強(qiáng)度變化率與入射角之間的關(guān)系, 圖7表明激光等離子體中心輻射強(qiáng)度變化率隨著入射角的增大而增大; 入射角為15°時(shí), 輻射強(qiáng)度變化率是3.05%, 即激光等離子體中心輻射強(qiáng)度相對于垂直入射最大降低了3.05%; 入射角為30°時(shí), 輻射強(qiáng)度變化率為9.066%, 入射角為45°時(shí), 輻射強(qiáng)度變化率為16.672%, 當(dāng)入射角增大至60°時(shí), 輻射強(qiáng)度變化率達(dá)到了25.415%, 說明激光入射角與靶材表面法線方向的夾角在0°～15°時(shí), 激光等離子體中心輻射強(qiáng)度受激光入射角的影響最小, 不大于3.05%。 此外, 從圖7中還可以發(fā)現(xiàn), 不同氣壓下激光等離子體輻射強(qiáng)度變化率隨入射角變化趨勢不同, 在10-4～10-2Pa的氣壓范圍內(nèi), 等離子體輻射強(qiáng)度變化率隨入射角變化更快, 而10-1和1 Pa時(shí)等離子體輻射強(qiáng)度變化率明顯不同于10-4～10-2Pa。 ICCD采集到激光等離子體輻射強(qiáng)度是在觀察方向上從靶材表面到等離子體擴(kuò)散前沿的強(qiáng)度積分, 而激光等離子體的擴(kuò)散方向?yàn)榈入x子體靶材表面法線和切線方向, 如圖2(b)所示, 此積分會(huì)隨著入射角的增大而逐漸減小; 圖4展示出了在10-4～1 Pa的氣壓范圍內(nèi), 氣壓越低激光等離子體輻射擴(kuò)散體積更大, 輻射強(qiáng)度更強(qiáng), 而等離子體輻射強(qiáng)度越弱、 擴(kuò)散體積越小時(shí)在觀察方向上從靶材表面到等離子體擴(kuò)散前沿的強(qiáng)度積分隨入射角變化越小, 因此出現(xiàn)了不同氣壓下激光等離子體輻射強(qiáng)度變化率隨入射角變化趨勢不同。

圖7 各氣壓下激光等離子體輻射強(qiáng)度變化率與入射角的關(guān)系

2.3 激光入射角度對靶材燒蝕的影響研究

為了更加深入地了解激光入射角度對激光等離子體影響, 明確入射角度對激光等離子體影響的內(nèi)在機(jī)制, 本實(shí)驗(yàn)對不同入射角的激光燒蝕坑進(jìn)行了微觀形貌分析。 在本實(shí)驗(yàn)中環(huán)境氣壓為10-4Pa, 為了增大各條件下燒蝕坑的差異, 每個(gè)燒蝕坑累計(jì)激光打擊500次。 本實(shí)驗(yàn)分別利用光學(xué)顯微鏡和白光干涉儀對激光燒蝕坑進(jìn)行微觀分析, 激光燒蝕坑的圖像如圖8所示, 其中(a)是燒蝕坑在光學(xué)顯微鏡下放大五倍拍攝到的燒蝕坑圖像, (b)是利用白光干涉儀測量得到的燒蝕坑三維形貌圖。 從圖8中可以看出, 激光燒蝕坑面積隨入射角增大而增大, 這是因?yàn)槿肷浣窃龃笫沟妹}沖激光在靶材表面的光斑也隨之增大; 此外, 從圖8(b)白光干涉儀的分析結(jié)果可以看出, 燒蝕坑的靶材料并非完全被燒蝕掉, 殘余下來的靶材料會(huì)堆積在燒蝕坑周圍形成突起。

圖8 燒蝕坑圖

本實(shí)驗(yàn)利用白光干涉儀對燒蝕坑進(jìn)行三維形貌測量, 根據(jù)白光干涉儀的三維形貌測量結(jié)果, 繪制了如圖9所示靶材燒蝕量與入射角的關(guān)系。 本實(shí)驗(yàn)假設(shè)靶材表面的燒蝕坑突起是實(shí)心的, 中間沒有空隙, 未被燒蝕的靶材完全堆砌在突起上。 燒蝕質(zhì)量計(jì)算公式如式(6)

圖9 紅線: 靶材燒蝕質(zhì)量與入射角的關(guān)系; 黑線: 平均單位光斑面積靶材燒蝕質(zhì)量與入射角的關(guān)系

M=Mc-Mr

(6)

式(6)中,M為靶材燒蝕質(zhì)量,Mr為靶材表面未被燒蝕的突起部分質(zhì)量,Mc為燒蝕坑的靶材質(zhì)量。 圖9左側(cè)黑線表示靶材燒蝕質(zhì)量與入射角的關(guān)系, 靶材燒蝕質(zhì)量隨著入射角的增大而增加, 這是因?yàn)槿肷浣窃龃笫沟妹}沖激光在靶材表面的光斑面積更大, 高能脈沖激光在靶材表面的燒蝕面更大, 可以燒蝕更多的靶材料, 進(jìn)而使得靶材燒蝕質(zhì)量增大。

圖9右側(cè)紅線表示平均單位光斑面積燒蝕質(zhì)量, 平均單位光斑面積燒蝕質(zhì)量計(jì)算公式如式(7)

(7)

式(7)中,Mp為平均單位光斑面積燒蝕質(zhì)量,M為靶材燒蝕質(zhì)量,S為光斑面積。 從圖9中紅線可以看出, 平均單位光斑面積燒蝕質(zhì)量隨著入射角的增大而減少, 這是因?yàn)槊}沖激光的功率密度隨著入射角的增大而下降, 導(dǎo)致脈沖激光的燒蝕效率下降, 平均單位光斑面積燒蝕質(zhì)量下降。 平均單位光斑面積燒蝕質(zhì)量的減少意味著相同的光斑面積下入射角越大靶材燒蝕量越少, 初始產(chǎn)生的激光等離子體粒子數(shù)密度更低, 進(jìn)而導(dǎo)致激光等離子體輻射強(qiáng)度減弱, 這解釋了激光等離子體輻射強(qiáng)度隨著激光入射角的增大而下降的現(xiàn)象。 Wu等[14]通過對不同入射角的激光等離子體進(jìn)行光譜分析發(fā)現(xiàn), 激光等離子體的電子密度隨著入射角的增大而下降, 與本文通過分析脈沖激光燒蝕坑與聚焦光斑尺寸得到的結(jié)論相同, 證實(shí)了脈沖激光入射角增大會(huì)降低脈沖激光燒蝕效率, 使得初始階段產(chǎn)生的激光等離子體密度下降, 導(dǎo)致激光等離子體輻射強(qiáng)度減弱。

3 結(jié) 論

激光等離子體的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理過程, 受多種因素的影響。 本文采用同軸成像的方式研究了不同氣壓下激光入射角對激光等離子體的影響。 對聚焦光斑在靶材上形成的光斑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真研究, 結(jié)果表明光斑尺寸在激光入射面法線方向上不隨入射角變化, 在垂直于法線方向上隨入射角的增大而增大, 使得光斑面積隨之增大, 進(jìn)而導(dǎo)致脈沖激光功率密度的下降, 影響了激光誘導(dǎo)等離子體過程。 對激光等離子體進(jìn)行同軸成像研究, 發(fā)現(xiàn)等離子體圖像會(huì)隨著入射角的增大而逐漸左移, 這是因?yàn)橥S成像時(shí)對等離子體的觀察角度隨入射角變化, 觀察角度差異造成的現(xiàn)象。 激光等離子體輻射強(qiáng)度最大值隨著激光入射角的增大而減弱; 激光入射角為15°時(shí), 激光等離子體輻射強(qiáng)度最大值相對于垂直入射的輻射強(qiáng)度最大降低了3.05%, 入射角為30°時(shí), 最大降低了9.066%, 入射角為45°時(shí), 最大降低了16.672%, 入射角增大至60°時(shí), 最大降低了25.415%。 不同氣壓下激光等離子體輻射強(qiáng)度變化率隨入射角變化的趨勢不同, 這是由不同氣壓下等離子體輻射強(qiáng)度、 擴(kuò)散體積不一致導(dǎo)致的。 對脈沖激光從不同角度入射造成的燒蝕坑進(jìn)行微觀分析, 發(fā)現(xiàn)靶材燒蝕量隨入射角的增大而增加, 但單位光斑面積的燒蝕量隨著入射角的增大而減少的規(guī)律, 即燒蝕效率隨入射角增大而降低, 明確了入射角變化導(dǎo)致單位光斑面積燒蝕量的減少是激光等離子體輻射強(qiáng)度隨入射角的增大而減弱的直接原因。