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飞秒激光诱导Ni等离子体发射光谱的实验研究

作　者: 樊建梅
导　师: 崔执凤
学　校: 安徽师范大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: 激光诱导等离子体共线型双飞秒脉冲时间分辨光谱电子温度增强因子
分类号: O53
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

利用聚焦的高功率密度脉冲激光束入射样品表面产生的等离子体叫激光诱导等离子体。激光诱导等离子体动力学的实验和理论研究一直备受科学研究者的关注,这不仅是由于激光等离子体提供了一个很好的光源,而且激光诱导等离子体在化学、医学、生物物理、原子分子物理、天体物理和等离子体物理等学科发展中起到很重要的作用。近年来兴起的利用激光诱导等离子体发射光谱进行在线痕量分析的激光诱导击穿光谱技术,同时以激光诱导等离子体为基础的激光同位素分离技术、激光制备纳米材料技术、激光加工与激光处理技术的发展,需要对激光诱导等离子体动力学有更深的认识和理解。激光诱导等离子体的动力学过程十分复杂,涉及到激光和物质的相互作用,因此研究样品表面的物理化学性质、所处的环境和激光的各种性质(波长、能量、脉冲宽度)对等离子体的形成动力学过程有重要影响。电子温度和电子密度是描述等离子体性质的两个重要物理参数,而激光诱导等离子体是非稳态等离子体,其动力学过程主要是由这两个参数的演化特性来描述。在实验研究中,虽然研究动力学过程的手段很多,但通过测定激光等离子体发射光谱的时间演化特性来研究其形成动力学,被公认为是最有效的研究手段。多年来人们对纳秒脉冲激光诱导等离子体动力学特性进行了广泛和深入的研究,但对飞秒激光诱导等离子体动力学的研究正在兴起,特别是双飞秒脉冲激光诱导等离子体动力学的研究才刚刚起步。由于飞秒脉冲激光与样品相互作用机理与纳秒脉冲激光有很大的不同,许多特性有待研究,因此开展飞秒脉冲激光诱导等离子体发射时间分辨光谱特性的研究,对揭示飞秒脉冲激光诱导等离子体动力学具有重要作用。本论文研究工作中,我们分别利用波长为800nm,脉宽为30fs的单飞秒脉冲激光和共线型双飞秒脉冲激光作为光源,产生了飞秒脉冲激光诱导Ni等离子体,测定了单飞秒脉冲激光诱导Ni等离子体中Ni原子时间分辨发射谱,分析得到了其电子温度的时间演化特性;研究了相对于采用相等能量的单飞秒脉冲激光束而言,采用共线型双飞秒脉冲激光诱导Ni等离子体中Ni原子发射谱强度的增强情况,得到了双飞秒脉冲情况下发射谱强度增强因子与双脉冲之间延时的关系。论文第一章,首先给出了论文选题的研究背景和意义,其次综述了激光等离子体的产生动力学以及激光等离子体发射谱的实验研究进展。第二章阐述了激光等离子体的基本理论。第三章介绍了本论文研究中采用的实验装置和实验方法。第四章给出了单飞秒脉冲激光诱导Ni等离子体中Ni原子的时间分辨发射光谱的实验测定结果,由测定的谱线相对强度得到了等离子体的电子温度的时间演化特性;同时,还测定了等离子体中Ni原子发射光谱线Stark线宽和Stark线移的时间演化特性。实验结果表明,当延时在110~610ns范围内变化时,等离子体的电子温度变化范围为7500~4500K,与纳秒激光诱导等离子体相比,其电子温度数值较小,等离子体的寿命较短,且等离子体的特性参数随时间演化更快。第五章,在总能量与单飞秒脉冲激光能量相等的条件下,通过调节两脉冲间的延时,测定了不同脉冲间延时下,共线型双飞秒脉冲激光诱导Ni等离子体发射谱强度的增强情况,得到了发射谱强度增强因子与两光束间延时之间的关系。通过比较拟合计算得到的单、双飞秒脉冲激光情况下的等离子体发射光谱寿命、电子温度、发射谱Stark增宽的时间演化特性,分析了双飞秒脉冲激光等离子体发射光谱信号增强的原因。实验结果表明,两光束间延时td在0~310ps范围内,等离子体发射光谱信号强度增强因子经历了先增大后减小再增大的过程,当td在0~50ps范围内变化时,发射光谱信号强度持续增强,在td=90ps时,增强因子出现拐点,在td>310ps后信号增强因子基本维持在同一个值(5~8)。双飞秒脉冲情况下等离子体光谱信号的增强主要是由于等离子体电子温度的增加引起的。最后,在总结所做工作的基础上,对今后的工作开展进行了展望。

全文目录

摘要  7-10
ABSTRACT  10-15
第一章激光等离子体光谱研究概述  15-34
  1.1 引言  15-17
    1.1.1 研究背景及意义  15-16
    1.1.2 本论文的主要工作  16-17
  1.2 激光等离子体的产生及研究方法  17-19
    1.2.1 激光等离子体的产生  17-18
    1.2.2 激光等离子体的研究方法  18-19
  1.3 激光等离子体发射光谱  19-22
    1.3.1 激光等离子体发射光谱的产生  19-20
    1.3.2 激光等离子体发射光谱的时空特性  20-21
    1.3.3 激光等离子体发射光谱技术应用  21-22
  1.4 激光等离子体发射光谱的实验研究  22-30
    1.4.1 纳秒、飞秒激光等离子体  22-23
    1.4.2 单、双脉冲激光等离子体  23-30
  参考文献  30-34
第二章激光诱导等离子体的基础理论  34-39
  2.1 激光等离子体的基本性质  34-35
  2.2 激光等离子体局部热平衡模型  35-36
  2.3 激光等离子体的电子温度测量  36-37
  2.4 激光等离子体的电子密度测量  37-38
  参考文献  38-39
第三章实验装置和实验方法  39-44
  3.1 实验装置  39-41
    3.1.1 激光光源  39-40
    3.1.2 光谱测量系统  40-41
  3.2 实验方法  41-44
    3.2.1 单飞秒激光诱导Ni 等离子体发射光谱  41-42
    3.2.2 共线型双飞秒激光诱导Ni 等离子体发射光谱  42-44
第四章单脉冲飞秒激光诱导 Ni 等离子体发射光谱的实验研究  44-56
  4.1 背景与研究现状  44-46
  4.2 Ni 原子时间分辨发射光谱的测定  46-48
  4.3 Ni 等离子体电子温度的时间演化  48-51
  4.4 Ni 等离子体中发射光谱线宽和线移的时间演化特性  51-53
  4.5 结论  53-54
  参考文献  54-56
第五章双脉冲飞秒激光诱导 Ni 等离子体发射光谱的实验研究  56-73
  5.1 背景与研究现状  56-59
  5.2 Ni 等离子体时间分辨发射光谱  59-61
  5.3 Ni 等离子体信号增强的变化规律  61-64
  5.4 Ni 等离子体的特性  64-69
  5.5 结论  69-70
  参考文献  70-73
第六章总结和展望  73-75
  6.1 论文工作小结  73-74
  6.2 工作展望  74-75
本人在研究生期间完成的工作  75-77
致谢  77

飞秒激光诱导Ni等离子体发射光谱的实验研究

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