空气中YAG激光诱导Cu等离子体羽的研究

乔红贞

(商丘师范学院物理与电气信息学院，河南商丘 476000)

0 引言

近年来，激光凭借其超短持续时间、较高峰值功率和良好的相干性，呈现出许多新奇的物理现象，在许多行业都有广阔的应用前景，比如在喷涂、流体力学和内爆压缩、堆焊制备超细粉末、微量元素定量分析、处理有害废弃物、国家医疗卫生、镀膜、环境和文物保护等众多领域都得到了成功地应用［1－4］．在激光与物质的相互作用过程中所诱导产生的激光等离子体，研究起来比较困难，是一个比较复杂的涉及多种动力学机制的一个物理过程;而发射光谱法因为自身的特性，研究等离子体内部的信息相对来说就比较方便，比如不用预先对样品进行复杂的处理就可以用激光探测样品，检测样品时，发射光谱法相对来说灵敏度高、用时短、又可以远程测量，而且对分析样品的破坏性极其小．在实际操作应用中激光器一般都是在正常的大气环境中完成的，所以分析大气环境中的激光等离子体的特征信息具有现实意义．本文采用1064 nm的YAG脉冲激光与空气中的铜靶作用诱导产生激光等离子体，研究了激光等离子体羽在空气中的光谱的特征和其空间演化特性．

1 实验装置

图1 实验装置简图

在空气中，由YAG脉冲激光器发出激光脉冲，其中激光的波长为1064 nm、脉宽为10 ns，透过位置可以调节的石英透镜(焦距为f1=30 mm)会聚在Cu靶面(厚度为1．5 mm，直径为30 mm，材料纯度大于99.9%)附近，烧蚀产生的等离子体透过透镜(焦距为f2=15 cm)，等大成像于单色仪的入射狭缝上，其中焦距为f2透镜到狭缝距离和探测位置的距离相等．经过常规简单预处理的Cu靶固定在衬架上，其中衬架用绝缘材料制作的．调节透镜的位置也即调节聚焦点与靶面的位置，得到离焦量l的三种取值方式:(a)l＞0:焦点在靶前;(b)l=0:焦点在靶面;(c)l﹤0:焦点在靶后．激光诱导Cu靶产生等离子体光谱的实验装置如图1所示．激光如果一直作用于铜靶的某一个方位，容易形成烧蚀坑，在采集光谱信号的时候会受到影响，为了避免这种情况发生，把铜靶安置在步进电机上，这样就可以调节铜靶，使其绕轴匀速旋转．通过对等离子体的光谱信号强度变化判断，步进电机的转动可以忽略．为了探测等离子体空间光谱，需要调节狭缝的位置，实验中选用600/mm的光栅，探测系统的空间移动精度约为100 μm，在靶面法线方向上，通过调节狭缝的位置，能采集到距离Cu靶面不同距离处的空间分辨谱．

2 实验结果和讨论

2．1 等离子体发射谱

图2 空气中激光诱导Cu等离子体光谱

图3 等离子体光谱的空间演化

表1 特征谱线中铜原子的部分信息

采用40 mJ/pulse激光能量作用于空气中的铜靶，当离焦量较大，激光脉冲聚焦于空气的瞬间，可观测到聚焦点处出现明亮的火花，并能听到较大的响声;随着离焦量变小，除了在聚焦点处能观察到空气火花外，在Cu靶前也逐渐形成一个明亮的火花;离焦量接近于0，并小于0时，空气中的火花越来越小，最后看不到了，不过在靶前仍然能看到在铜靶面朝外有一个毛笔型的白炽色的等离子体羽．

离焦量为零时得到空气中波长范围为440－575 nm的激光等离子体光谱，在等离子体光谱的连续谱上分布有许多比较明显的特征谱线，如图2所示．这些特征谱线是离子与原子之间的跃迁所产生，通过比对发现主要是铜原子和离子谱，以及部分的氮离子谱．其中Cu原子为CuⅠ465．11 nm，CuⅠ470．46 nm，CuⅠ510．55 nm，Cu Ⅰ515．32 nm，Cu Ⅰ521．82 nm 和Cu Ⅰ529．25 nm，Cu离子谱为 Cu Ⅱ467．48 nm，N 离子谱线为NⅡ500．52 nm和NⅡ517．95 nm．在表1中给出了部分铜原子特征谱的信息．在N离子谱线位置处有遍布有许多小的峰线较宽的谱线，在谱线N离子特征谱线附近的许多小的峰主要是由多组跃迁产生，这些N离子的信息可以NIST［5］中查到．连续谱源于自由电子与原子和离子的剧烈碰撞及自由电子与离子的复合辐射［6］．

2．2 空间谱

离焦量为－2 mm时特征光谱相对比较明显，如图3给出了430－580范围内的Cu等离子体空间光谱图，在图3中可以看出，特征谱线有较强的连续背景辐射，接近靶面附近有0．5 mm的等离子体连续辐射区，与聚焦于靶面的情况图2相比，在图3中NⅡ谱线已经很微弱，有些特征谱线中已经不能明显观察到，而CuⅠ的特征谱线相对于图2中编的比较强，有非常明显的特征谱线特征，相对于其它离焦量的特征谱线来说，其特征谱线强度最大，谱线强度峰值出现在距靶面0．75 mm附近．

2．3 等离子体形成过程分析

在激光脉冲能量为40 mJ/pulse时，在低气压的室内产生的等离子体羽是一个边界模糊的锥形淡绿色的等离子体羽，而随外界的气压的增大而变小，颜色有浅变深．在空气环境下，等离子体羽呈现较小的明亮的白炽色．由表1可以看出，铜的特征谱线中绿色的谱线视见函数比较高，但是由于实验是在空气完成的，受空气的影响，所以观测的等离子体羽的颜色不是绿色．在空气中我们观测的等离子体光谱中，经分辨有CuⅠ、CuⅡ、NⅡ等粒子，这些粒子是激光与铜靶相互作用的产物．激光的粒子能量约1．7 eV，忽略激光能量在透过透镜增加的衍射损耗和在空气中传输时的能量损耗，一个光子能量不足以激发和电离产生这些粒子，因为CuⅠ的激发能量大于2 eV，直接电离产生CuⅡ、NⅡ粒子更是不可能，所以图2和图3中的谱线中的特征谱线是多光子电离和高能电子与离子和原子的碰撞激发与复合辐射产生．Cu粒子产生过程如下:

［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］．available online:http://:physics．nist．gov/．2008．

［6］苏茂根，陈冠英，张树东，等．激光诱导Cu等离子体光谱的空间特性研究［J］．应用激光，2004，24(6):409－412．