二元激光等离子体的时空演化机制研究_赵洋.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，二元激光等离子体的时空演化机制研究赵洋，张雷，程年恺，尹王保，侯佳佳，白成华中北大学半导体与物理学院，山西 太原 山西大学激光光谱研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 山西大学，极端光学协同创新中心，山西 太原 中国兵器科学研究院，北京 西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西 西安 摘要由于等离子体是激光诱导击穿光谱（）的光谱源，其内部粒子的分布结构将直接影响 谱线的信噪比，因此研究等离子体粒子分布结构和动态膨胀过程对提高 的定量测量精度具有指导意义。利用时间、空间、波长分辨的双波长差分成像技术分析激光诱导铝锡合金产生的二元等离子体，获取等离子体内各态粒子发射率的时空分布图像，以期探索不同激光支持吸收波（）类型的等离子体内各态粒子时空分布结构的演化机制。实验通过低、高激光辐照度的脉冲激光，分别构建了激光支持燃烧波（）和激光支持爆轰波（）型等离子体。通过观察等离子体的形态、内部结构、粒子分布、粒子寿命，结合元素的物理性质及谱线属性，分析了激光与金属及等离子体之间的相互作用，形成了二元激光等离子体的时空演化机制。结果表明：（）激光辐照度会改变等离子体的粒子分布结构；（）低辐照度激光诱导产生的 型等离子体内部有明显的层状分布，激光主要吸收区位于蒸汽等离子体，此时粒子的寿命较短，分布结构主要依赖于元素熔点，低熔点元素会先从难混溶合金表面熔化并析出，分布于蒸汽等离子体顶部；（）高辐照度激光产生等离子体的传播模型为 型，其内部蒸汽等离子体与冲击气体层有很大的混合区域，激光主要被冲击气体层所吸收，此时粒子寿命延长，分布结构主要依赖于元素的相对原子质量。高激光辐照度会使难混溶合金表面烧蚀区域内的粒子同时汽化，粒子速度与相对原子质量的平方根成反比，即相对原子质量小的粒子飞行速度快，分布在蒸汽等离子体顶部。以上等离子体粒子分布结构的时空演化机制有望普适于其他元素甚至多元等离子体情形。关键词激光诱导击穿光谱；激光支持燃烧波；激光支持爆轰波；粒子分布中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家 重 点研发计划项目（），长江学者 和创新团队发展计划项 目（），国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（，），国 家 能 源 石 油 炼 制 技 术 研 发 中 心（，），山 西 省 科 技 重 大 专 项（），高等学校学科创新引智计划（计划）项目（），山西省“工程”重点学科建设计划经费（）和山西省基础研究计划项目（，）资助作者简介：赵洋，年生，中北大学半导体与物理学院讲师 ：通讯作者 ：；引言激光诱导等离子体作为一种光谱发射源，自 世纪 年代以来得到了广泛的研究。激光诱导等离子体内包含复杂的辐射和粒子，在其膨胀冷却的过程中会发射出元素的特征谱线，通过收集这些发射光谱可以对样品中组成元素的含量进行定量分析，这个技术被称为激光诱导击穿光谱（，）。因独具的快速、多元素分析能力而有望被广泛应用于化工、冶金等领域的工业过程监测。由于等离子体中粒子的分布将直接影响所收集谱线的信噪比，进一步影响定量分析结果的准确性和重复性。因此，研究等离子体中粒子分布对提高 的定量分析能力具有重要意义。目前，相关研究主要集中于理论模型和实验观测两方面。在理论模型方面，激光支持吸收波（，）是公认的等离子体传播模型。在不同的实验条件下（激光辐照度、波长、样品成分、环境气体成分、气体压力等），通常有两种传播方式：激光支持燃烧波（，）和激光支持爆轰波（，）。二者的差别主要是等离子体与激光相互作用时，激光吸收的区域不同，型等离子体的激光吸收区域在蒸汽等离子体核部位，而 型等离子体是在冲击气体层。在实验观测方面，研究者们采用光纤二维光谱扫描法或 成像法获取粒子分布图像从而观测等离子体的演化。例如，等获取等离子中铝、氮和氧的原子和离子的空间分布信息，分析其热力学演化受空气粒子的影响。和 等研究了等离子体中铁和氩原子的相对分布，发现等离子体与环境气体之间存在很强的相互作用。另外他们还获得了等离子体中镍、铁、铝的原子和离子的三维分布图，比较了等离子体中元素的总数密度与样品中元素的浓度比 。等通过绘制粒子强度分布图，证实铜和锌粒子分布于等离子体的不同部位。等比较了真空和环境气体中钡离子的发射强度和数密度，发现环境气体的存在导致等离子 体 羽 膨 胀 前 沿 的 局 部 粒 子 数 密 度 显 著 增 加。等通过对铝和钛粒子的成像，优化了 装置中等离子体激发和荧光收集部分的参数。等对早期铝等离子体的结构和动力学进行了实验研究，探讨了激光后烧蚀作用的机理。结果表明，由于不同种类的等离子体在羽流内部不同区域的屏蔽作用，导致了等离子体有不同形态和内部结构。同时还研究了 和 型等离子体的特征，如羽流形态、等离子体核中的粒子寿命、等离子体内部结构、粒子衰减速度等 。综上所述，目前人们在等离子体演化建模理论及粒子分布实验方面虽然做了深入研究，但实验分析多数仅停留在现象阐述，将等离子体传播模型理论与粒子分布实验现象关联起来的报道数量较少。本文采用接近激发阈值的低辐照度激光产生 型等离子体，采用高辐照度激光产生 型等离子体，采用双波长差分光谱成像及光谱矩阵扫描装置来获得等离子体中粒子的时空分布图像，以研究二元等离子体内部多态粒子时空分布结构的演化机制，并探讨等离子体 类型与粒子分布结构间的关系。实验部分 仪器及参数用于等离子体瞬态粒子分布及发射光谱分析的 实验装置如图所示，主要分为等离子体产生装置、光谱采集装置和差分成像装置三个部分。等离子体产生装置的激光源为 激光器（，波长：，脉宽：，重复频率：），其发出的激光束通过 焦距的透镜（）聚焦，垂直照射在置于 三维平移台的样品表面上。半波片（）、偏振分束器（）和能量计（，）用 来 监 测 激 光 能 量，硅 探 测 器（）和延时信号发生器（）用来控制图像及光谱的采集延时。安装在等离子体两侧的一对气管，以 的流量连续吹氩，以确保环境气体始终为氩气。光谱采集装置用透镜（）将等离子体图像放大倍，将安装在 二维平台上、直径为 的全硅光纤沿等离子体像平面移动，采集来自等离子体轴向和径向不同位置的辐射，然后将空间分辨光信 号 传 送 到 一 台 配 有 时 间 门 控 （，）的光栅光谱仪（，）。使用低压汞灯（，）校准光谱仪的波长，氘卤素光源（，）校准光谱强度。差分成像装置使用另一个 （，），通过由两个透镜（，）和窄带滤波片（）组成的 系统来记录该粒子的图像。为了获得时间分辨图像，采用的延时和门宽分别为，；，和 。为了研究二元等离子体中粒子的时空分布，本实验所选样品为铝锡合金，它是一种难混溶合金，具有明显的液相分离特性，其中铝和锡的质量比为，相应元素原子数密度比约为。从表可以看出，铝和锡的熔点和相对原子质量差异较大，且发射谱线稀疏、互相干扰小，因此非常适合本实验研究。图激光诱导等离子体瞬态粒子成像及 光谱采集装置示意图：反射镜；：扩束镜；：偏振分光棱镜；：半波片；：能量计；：延时信号发生器；：快速硅探测器；：像增强探测器；，和：透镜；：滤光片 ：；：；：；：；：；：；：；：；，：；：两种传播类型等离子体的构建为了产生不同 型等离子体，首先需要确定激光聚焦位置。为了避免击穿氩气，透镜的聚焦点位于样品表面之下，其最佳位置可以通过等离子体的图像判断。调节 平移台可以控制样品与激光聚焦点的距离在 之间（样品表面位置为，负号表示焦点在靶面下方），用能量为 的 激 光 诱 导 铝 锡 合 金 产 生 等 离 子 体，用光谱学与光谱分析第 卷 和窄带滤光片（中心波长为 ，带宽 ，透过率为）采集，和 时的等离子体的图像。结果如图所示，每一幅等离子体的图像都进行了最大值归一化，底部白线代表靶面。从图中可以发现当激光聚焦点在 时，等离子体体积小且呈球形，这表明激光击穿了氩气，产生的等离子体离开了靶面。当焦点在 时，等离子体分为两个部分：电离的氩气和来自材料的蒸汽。当焦点在 和时，产生的等离子体会因靶面的限制呈半球形，等离子体变得更加对称，根据实验过程中的观察也可以发现，此时等离子体更加稳定。随着焦点移动到样品表面下更深的位置（和），激光照射在靶面的光斑变大，相应辐照度变低，产生的等离子体变得扁平，发射光强减弱。对比焦点在 和 两种对称性较好的情况可以发现，时产生的等离子体轴向大小分别为 和，激光焦点在处产生的等离子体更大，因此最佳激光焦点位置位于靶面下方 处，此时样品表面产生聚焦点直径约 。在这种情况下，选择激光辐照度为（接近铝锡合金的击穿阈值）的 脉冲能量和激光辐照度为 的 脉冲能量，用于激发 和 型等离子体。图不同焦距激光诱导等离子体图像测量时间为：，和 ；相应门宽分别为，和 ；激光聚焦点与靶面距离为 ，和 ，；，等离子体差分成像差分成像法是利用一对窄带滤光片（和）对等离子体中粒子进行空间分辨瞬间成像的方法。的中心透射波长对应于待测粒子特征谱线的波长，的中心透射波长接近该特征线的波长，并且在其透过范围内只有基线没有其他谱线的干扰。因此粒子发射光的积分图像可以由用 得到的图像减去用 得到的连续背景发射图像获得。但由于 获得 的 是 空 间 积 分 图 像，因 此 还 要 用 基 于 算法的 变换 将其转化为粒子发射率图像。需要注意的是，得到的每一幅图像都进行了透过率校正并累加 次，以提高图像的对比度。为了避免烧蚀坑对采集等离子体图像的影响，这 个等离子体都是在样品不同位置采集的，样品表面提前用砂纸进行过打磨。本实验需要观察铝、锡、氩原子和离子的发射率图像，表列出了这六种粒子的发射谱线及成像所用滤光片的中心波长，由于滤光片的半宽约为 ，因此这些粒子成像时不存在相互干扰。不同粒子的图像都用最大值进行了归一化并用不同的颜色表示。表铝、锡的物理性质，实验所选铝、锡、氩的原子及离子的特征谱线和相应滤光片的中心波长 ，元素熔点沸点相对原子质量粒子谱线 的中心波长 的中心波长 增益（）第期 赵洋等：二元激光等离子体的时空演化机制研究结果与讨论 等离子体传播类型验证实验中采用和 激光辐照度期望分别构造 和 型等离子体。图展示了两种激光辐照度诱导产生的等离子体中各粒子发射率的时空分布图像。图中氩原子、氩离子、铝原子、铝离子、锡原子和锡离子分别用蓝色、灰色、红色、绿色、土黄色、枚红色表示。由于六种颜色叠加不便于观察，为了方便对比，我们将同一激光辐照度下产生的铝原子和铝离子展示在第一列，锡原子和锡离子展示在第二列，氩原子和氩离子在这两列重复展示。由此我们可以直观地得到等离子体中各粒子随时间的分布演化过程及相互作用过程。图由和 激光辐照诱导等离子体中氩原子（蓝色）、氩离子（灰色）、铝原子（红色）、铝离子（绿色）、锡原子（土黄色）、锡离子（玫红色）发射率的时间演化 （）（），（）（），（）（）由图可见，激光辐照度为 时，等离子体内部有明显的层状分布，即氩粒子与铝、锡粒子之间存在分界线。这是因为等离子体膨胀初期产生的冲击波虽然在一定程度上增加了冲击气体的密度、温度和压强，但低激光辐照度难以达到氩的激发阈值，激光能量穿过氩气沉积在由铝、锡粒子组成的蒸汽羽流上，被其吸收并进一步电离，形成热的蒸汽等离子体。因此氩的激发、电离与激光能量无关，而是因为与蒸汽等离子体发生了相互作用（压缩、热传导和辐射传递）。上述层状的等离子体粒子分布特征与 型等离子体特征相符合。激光辐照度为 时，层状分布现象消失，氩粒子与铝、锡粒子相互混合，尤其是氩离子的分布范围很大，与铝、锡离子区域几乎完全重叠，只与蒸汽等离子体发生相互作用达不到如此高的电离度。高激光辐照度下等离子产生很强的冲击波，使冲击气体层足够热可以直接吸收大量的激光能量，此时冲击气体层会向后传播，与蒸汽等离子体形成混合区域。上述重叠的等离子体粒子分布特征与 型等离子体特征符合。因此我们用和 两种辐照度成功构建了 和 型离子体。等离子体中粒子的时间演化由图整体来看，等离子体随时间慢慢膨胀变大，时由于等离子体冷却，体积有变小的趋势。从等离子体内部离子来说，在观察时间内，高激光辐照度下，时三种离子持续存在，而低激光辐照度下，氩、铝和锡离子的寿命分别为 ，和 。因此 型等离子体中的离子寿命与 型相比较长，这是因为随激光辐照度增加，样品烧蚀量、等离子体图由（）和 （）激光辐照诱导等离子体中铝、氩、锡离子发射谱线强度的时间演化曲线 ，（）（）光谱学与光谱分析第 卷温度、密度和电离度也会随之增加，从而延长粒子寿命。离子发射谱线强度衰减曲线展示在图中，其中谱线强度是由图的发射率强度求和并对 门宽和增益进行校正后得到的。经指数拟合后可以发现，拟合的线性相关系数在 之间，这说明离子发射谱线是呈指数衰减的。观察图可以发现，型等离子体中氩离子的寿命比铝、锡离子短，这是由于成像所用的氩、铝和锡离子谱线的上能级分别为 ，和 ，其中氩的上能级最高，处于该能级的布居数减小地更快，因此寿命最短。从等离子体内部原子来说，在观察时间内，低激光辐照度下，三种原子持续存在，而高激光辐照度下氩、铝和锡原子存在时间分别为 ，和 。型等离子体中铝原子产生的比较晚。这是由于氩、铝和锡的电离能分别为 ，和 。因为铝的电离能最低，蒸汽等离子体吸收的激光能量会将铝原子完全电离成离子，之后随着等离子体膨胀冷却，由于复合作用，铝原子谱线才会逐渐发射出来。等离子体传播类型与粒子分布结构间关系对比两种类型等离子体的粒子分布（图），整体来看，型等离子体在激光入射方向长度更长，这是由于在激光入射方向 型初始等离子体吸收更多激光能量，导致此方向粒子膨胀速度比径向更大。比较等离子体中的氩、铝、锡的原子和离子可以发现，两种类型等离子体的氩粒子均位于等离子体顶部，而来自样品的锡和铝粒子位于等离子体底部。另外所有元素的离子分布靠近等离子体核，原子分布于等离子体边缘，也就是氩原子分布在氩离子上，锡和铝是原子分布在离子下，原因是等离子体核的温度比边缘高，电离度也更高。下面具体对比来自样品中的四种粒子组成的蒸汽等离子体在不同传播模型中的分布（图）。型等离子体中铝的粒子层分布在锡之下，而 型等离子体中粒子层分布顺序相反。通过比较两种元素的物理性质（列于表中），锡的熔点为 与铝 相比较低。铝锡合金是一种难混溶合金，当低辐照度激光作用在合金表面时，烧蚀区的固态合金会发生熔化，此时熔点低的锡会脱离样品析出，在液体中占比较大，蒸发汽化后锡粒子会分布在产生的 型蒸汽等离子体顶部。而高激光辐照度会使合金表面温度瞬间高于沸点，导致烧蚀区的固态合金中的锡和铝几乎同时瞬间汽化，没有熔化过程。因此，型等离子体中的粒子分布就取决于粒子的运动速度。真空中粒子速度可以表示为 （）式（）中，热 速 度，等 离 子 体 膨 胀 速 度 ，一次电离离子的库伦速度，对于原子，是玻尔兹曼常数，是温度，是粒子质量，是等效加速电压。由于等离子体膨胀，其内部可以近似为真空，等离子体中粒子的传播速度可以用式（）表示。由此可知 与平方根成反比。铝的相对原子质量为，比锡的相对原子质量 小很多，铝粒子的飞行速度大约比锡粒子快一倍。通过实际的等离子体图像也能预估两种元素的离子速度，根据图中 时 型等离子体中离子的发射率图像，可以得到 和 离子中心对称轴发射率最大值所处的轴向位置分别为 和 ，这个轴向位置可以近似地认为是离子的飞行距离，由此可以计算出 和 离子速度分别为 和 ，与理论结果相符。所以铝粒子会分布在 型蒸汽等离子体顶部。图 和 型蒸汽等离子体中铝、锡粒子发射率的时间演化 我们利用光谱诊断验证以上 型等离子体的粒子分布结构主要取决于元素熔点的论断。在延时 门宽 时采集的等离子体顶部的光谱，由于 和 谱线自吸收小，因此用这两条谱线计算得到铝和锡的原子数密度比随激光辐照度的变化曲线（图）。由图可以看出，低辐照度时，原子数密度比很大，随着激图 时等离子体顶部锡和铝原子数密度比与激光辐照度的关系 第期 赵洋等：二元激光等离子体的时空演化机制研究光辐照度增加到 后，强度比降低并且趋于定值。这说明激光辐照度越低，等离子体顶部锡原子的相对数密度越高，更多的锡原子聚集到等离子体顶部。结论通过窄带滤光片进行差分成像，获取等离子体中瞬态粒子发射率图像，探索了在氩气背景中膨胀的不同 类型的等离子体内各态粒子时空分布结构的演化机制。低辐照度激光诱导产生的 型等离子体内部有明显的层状分布，激光主要吸收区为蒸汽等离子体，粒子寿命较短，元素的熔点是影响蒸汽等离子体内部结构的主要因素，低熔点元素会先从难混溶合金表面熔化析出，分布在蒸汽等离子体顶部。随激光辐照度增加，样品烧蚀量、等离子体温度、密度和电离度也会随之增加，此时激光主要吸收区为氩气层，等离子体特征呈现 型，此时蒸汽等离子体与冲击气体层有很大的混合区域，粒子寿命延长，高激光辐照度会使难混溶合金表面烧蚀区域粒子同时汽化，这样对蒸汽等离子体来说，相对原子质量会成为影响等离子体内部结构的主要因素。粒子速度与相对原子质量的平方根成反比，相对原子质量小的粒子飞行速度快，分布在蒸汽等离子体顶部。为了验证结论的普适性，下一步我们将选取更多元成分的合金进行研究。，（）：，（姚顺春，陈建超，陆继东）（光谱学与光谱分析），（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，：光谱学与光谱分析第 卷 ，（），（）（）（），：（）；（），；（），；（）；（）；（，；，）第期 赵洋等：二元激光等离子体的时空演化机制研究