激光诱导空气等离子体光谱时间演化特性的研究

许 鹤，袁 萍

（西北师范大学物理与电子工程学院甘肃省原子分子物理研究与功能材料重点实验室，兰州730030）

1 引 言

激光击穿大气产生等离子现象及其相关应用的研究[1－4]是人们广泛关注的课题．同时，空气等离子体特性随时间的演化规律对于探讨闪电放电等离子体的物理及化学特性有重要的参考价值．为有效地实现这些技术应用，不仅需要了解激光大气等离子体的产生机制及其阈值特征，而且也需要对激光大气等离子体产生后的时间演化过程有深入的研究．

激光诱导击穿光谱技术（LIBS）是研究等离子体特性的重要手段之一，国内外很多学者都在这方面做出了众多贡献[5－12]．Hogo Sobral等人利用激光诱导空气等离子体来模拟自然闪电过程，得到电子温度约为18000K，密度为 1017－18cm－3[13]．林兆祥和李小银等分析了激光击穿纯氮、纯氧与空气产生的激光诱导等离子体光谱之间的异同，给出了激光等离子体光谱的时间演化和空间分布的基本特征，并根据激光诱导空气等离子体的时间分辨光谱，探测了大气等离子体柱的空间分辨光谱，并由此反演得出电子密度及其空间分布特性[14，15]．

在本工作中，利用不同激光能量（分别为150 mJ和500mJ）获得时间分辨的激光诱导空气等离子体光谱，通过光谱分析，研究了电子密度，温度及其时间演化特性．此外，探讨了激光能量和等离子体参量间的关系．

2 实验及理论

2．1 实 验

图1 实验装置示意图Fig．1 Experimental Setup

实验设备包括Nd：YAG激光器（PRO－350，Spectra－Physics）基波为1064nm，重复频率10 Hz、脉宽为10ns，脉冲能量分别为150mJ和500 mJ；1m的Czerny－Turner（Shamrock SR－500i）光谱仪，600条／mm光栅一个，50μm的外狭缝，分光系统的分辨率为0．02Å；由ICCD（iStar－DH734－18F，Andor technology）进行时间分辨的光谱拍摄，探测位置距离靶面2．0mm．

2．2 理论方法

2．2．1 基本假设

依据光谱信息研究等离子体相关性质的前提是等离子体满足局域热力学平衡（LTE）[16]：

其中Ne表示电子密度，Te是温度，ΔE是跃迁能级之间的能量差．

在激光诱导空气等离子体中，由于氮元素的ΔE最大值为3．1eV，（1）式右端的最大值为6．05×1015cm－3，因此，电子密度（1017cm－3）远大于上述值，这表明，此环境满足LTE条件．

2．2．2 电子密度的计算Saha方程

在LTE条件下，等离子体内部粒子的速度分布满足Maxwell分布，能级服从Boltzmann统计分布，带电离子和原子之间满足Saha分布，由此得到电子密度的表达式[17]：

其中，Iatom和Iion分别代表原子、离子谱线强度，Eatom和Eion分别对应原子、离子线跃迁上能级激发能，V为原子的电离能．

谱线的加宽方法

谱线的加宽受很多加宽机制的影响，包括自然加宽，Doppler加宽，仪器加宽和压力加宽，其中，压力加宽由共振，Van der Waals和Stark加宽组成．

首先，由于辐射粒子的热运动造成Doppler加宽，其线宽的一般表达式[18]为：

式中ΔλD是Doppler半宽，M是原子量．

其次，激发态和中性原子的感应偶极子相互作用产生Vander Waals加宽：式中ΔλW是Vander Waals半宽．

在LTE平衡下，与Stark加宽相比，其他的加宽机制（自然加宽，Doppler加宽等）的影响很小．谱线的半高全宽Δλ与电子密度Ne有如下关系[19]：

其中，ω，A，ND分别对应加宽参数，离子加宽参数和Debye球内的粒子数．由于离子微扰场引起的加宽非常小，上式中的第二项可近似忽略．

3 结果与讨论

在激光能量为150mJ和500mJ的条件下，分别获得了延迟时间为0－2000ns，波长为300－850nm范围内的激光诱导空气等离子体光谱图．图2给出了延迟时间为300ns，波长在389－830 nm范围，激光能量分别为150mJ和500mJ的空气等离子体光谱．图中横坐标为波长，纵坐标为谱线的相对强度．光谱特征是在连续谱上叠加着一系列的分立谱线．连续谱主要来源于热电子的韧致辐射和电子－离子的复合辐射，分立的特征谱线由激发态原子的跃迁产生．特征谱线经辨认，在可见范围内，主要有 NII 399．5nm，NII 444．7nm，NII 463．0nm，NII 500．5nm，NII 567．9nm；在近红外范围内，主要有NI 744．2nm，NI 821．6nm和OI 777．4nm，谱线对应的跃迁参数等可由NIST[20]查得．

图3是激光能量分别为150mJ和500mJ的激光诱导空气等离子体光谱随时间的演化．可以看出：随着延迟时间的增加，可见部分的谱线强度迅速减小，直至消失；红外部分的谱线强度随时间的衰减比较缓慢．光谱特征表明：在50－2000ns的延迟时间内，等离子体中电子与离子碰撞导致的复合过程占据主要地位．

图2 激光诱导空气等离子体光谱 （a，b图分别代表激光能量为150mJ和500mJ）Fig．2 Laser induced of air plasma（（a）and（b）represent the laser energies 150mJ and 500mJ，respectively）

图3 空气等离子体的时间分布 （a，b图分别代表激光能量为150mJ和500mJ）Fig．3 Temporal evolution of air plasma（（a）and （b）represent the laser energies 150mJ and 500mJ，respectively）

图4 谱线强度随时间的变化 （a，b图分别代表激光能量为150mJ和500mJ）Fig．4 The variation of line intensity with time（（a）and（b）represent the laser energies 150mJ and 500mJ，respectively）

图5 NII 399．5nm的轮廓及其Voigt函数拟合图 （a，b图分别代表激光能量为150mJ和500mJ）Fig．5 The profile of NII 399．5nm with its Voigt fitting（（a）and（b）represent the laser energies 150mJ and 500mJ，respectively）

图4给出了，在不同激光能量下，谱线NII 399．5nm，NII 444．7nm，NII 463．0nm，NII 500．5nm和NII 567．9nm的强度随时间的变化．可以看出：在图4（a）的50－300ns内，谱线强度随延迟时间的增加快速减小，而之后趋于平缓．在图4（b）中，谱线强度在50－400ns内迅速减小．

图5分别给出了激光能量为150mJ和500 mJ，延迟时间为300ns时的NII 399．5nm的谱线轮廓以及利用Voigt函数拟合对应的拟合曲线．利用Voigt函数对光谱线NII 399．5nm的实验轮廓进行拟合，其中，Gauss宽度约等于仪器加宽宽度[21]，由图5可以看出：Lorentz宽度大于Gauss宽度，因此，在本次实验中忽略了仪器加宽的影响．

依据对谱线NII 399．5nm的加宽，由公式5计算得到不同延迟时间下的电子密度．图6（a，b）为空气等离子体电子密度的时间分布．由图6（a，b）可以看出：电子密度与谱线强度随时间的变化具有相似的变化趋势，即在时间为50－400ns内，电子密度随延迟时间的增加快速减小，而之后趋于平缓．这表明：在初始阶段，激光烧蚀产生的等离子体温度很高，压强很大，密度也较大，在时间区域（50－400ns）主要是电子－离子的复合过程，电子与激发态原子之间的非弹性碰撞几率减小，使得激发态原子数目的减少，从而导致电子密度迅速减小，温度急剧降低；400ns以后，电子密度、温度下降的速度减慢，可视为等离子体的前端．

依据对电子密度的一阶指数拟合，得到激光能量分别为150mJ和500mJ的相应表达式：dNe／dt反映了电子密度随时间的变化率．图6（c，d）给出了延迟时间为50－600ns内的dNe／dt的变化．可以看出：在每一延迟时间下，dNe／dt＜0，表明在此过程中，复合相比电离居于主导地位．此外可以看出：随着延迟时间的增加，dNe／dt的值逐渐增大，并且dNe／dt的值与电子密度呈现反相关．

依据计算得到的电子密度，选取谱线NII 616．8nm和NI 744．2nm，利用Saha方程倒推得到相应的电子温度．图7给出了激光能量为150mJ和500mJ时的空气等离子体电子温度随时间的变化．可以看出：随着延迟时间的增加，电子温度表现为减小，并且激光能量越高，对应的电子温度整体偏高，同时，由指数拟合可以看出：激光能量越高，电子温度的衰减越慢．

图6 电子密度及其变化率随时间的变化 （a，b图分别代表激光能量为150mJ和500mJ下的电子密度及对应的一阶指数拟合；c，d分别代表表激光能量为150mJ和500mJ下的电子密度的变化率）Fig．6 The variation of electron density and its change rate（（a）and（b）represent the laser energies 150mJ and 500mJ，respectively；（c）and（d）represent the change rates of electron density under the laser energies 150mJ and 500mJ，respectively）

图7 电子温度随时间的变化 （a，b图分别代表激光能量为150mJ和500mJ）Fig．7 Temporal evolution of electron temperature（（a）and（b）represent the laser energies 150mJ and 500mJ，respectively）

4 结 论

依据激光能量为150mJ和500mJ的激光诱导空气等离子体光谱，讨论了其光谱特征，电子密度，温度以及它们随时间的演化规律．结果表明：在此过程中，复合过程相比电离过程居于主导地位，此外，谱线强度在0－300ns内快速衰减，之后缓慢变化，同时，随着延迟时间的增加，电子密度与谱线强度随时间的变化相一致；电子温度的衰减近似接近指数拟合，并且激光能量越高，衰减越慢．

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