激光辐照氮化硅陶瓷光谱信息研究

蔡鹏程，闫 佳，孔 鹏，张卫国，庞 澜，惠 进，蔡红星

（1.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065；2.军事代表局驻西安地区第八军事代表室，陕西 西安 710065；3.长春理工大学 物理学院，吉林 长春 130022）

引言

氮化硅陶瓷（Si3N4）具有良好的力学性能、热稳定性、低介电损耗和高耐冲蚀性，是一种综合性能优良的结构材料，在运载火箭、飞船、导弹及返回卫星等领域中得到广泛应用[1-3]。激光武器打击速度快、精度高、效费比高，作为这些高超声速目标的主要拦截和打击手段之一，开展激光与氮化硅陶瓷相互作用光谱研究是至关重要的[4-7]。激光与目标相互作用过程产生强烈的等离子体闪光，光谱中包含有丰富的物理化学信息。线状特征谱线可用于目标的种类识别、材质分析和损伤位置判断[8]。同时等离子体中电子温度、电子密度和电子振荡频率参数是高超声速飞行器探测及其外层热防护材料选择的重要物理参数[9]，光谱法是诊断这些参数的有效手段[10]。

Chen Minhao 等[11]研究了激光损伤过程中目标识别技术，采集激光辐照钢板、碳纤维、环氧树脂发射光谱，利用支持向量机的方法对等离子体特征谱线进行了分类识别，目标材质识别速度和准确率得到了大幅提高。M A Hafez 等[12]研究了335 nm 紫外激光与Cu 靶相互作用光谱，利用等离子体特征光谱和电子探针探测计算得到距离靶面不同位置处的电子温度和电子密度值。Alessandro De Giacomo 等[13]研究了激光与钛靶材相互作用特征光谱，讨论了不同延迟时间下等离子体中电子密度变化特性。Sidra Khan 等[14]研究了环境压力对YAG 激光烧蚀钽等离子体光谱电子温度和电子密度的影响。Ye Ying 等[15]基于偏振光谱技术对激光辐照复合陶瓷材料的损伤过程进行了实时观测。

目前对于纳秒激光辐照氮化硅陶瓷等离子体光谱参数的全面研究尚未见到。本文搭建了激光与氮化硅陶瓷靶材相互作用实验系统，采集激光作用过程辐射光谱，对特征谱线进行了指认。基于硅原子和离子线状特征谱线计算了不同注入激光能量下的等离子体参数，指认结果可为目标材质识别和毁伤部位判断提供参考，计算结果可为高超声速飞行器的探测及其表面热防护材料的选择提供基础依据。

1 实验原理

激光辐照氮化硅靶材，材料吸热后温度迅速升高，达到熔点后熔化蒸发，蒸汽中的粒子吸收激光能量，通过多光子电离产生等离子体，高温高压等离子体向外膨胀喷出，产生闪光，光谱仪采集闪光光谱即可得到发射光谱信息。线状特征谱线是受激光能量作用处于高能级的激发态氮化硅材料原子和离子，向低能态跃迁时辐射产生，如（1）式所示[16]：

式中：λ为线状特征谱线中心波长；h为普朗克常数；c为光在真空中的传播速度；Ep为高能级能量；Eq为低能级能量。

2 测量装置组成

测试系统如图1 所示。采用Nd3+:YAG 固体脉冲激光器输出激光波长1 064 nm、脉宽15 ns、频率1 Hz，能量可调。靶材样品选用规格为25 mm×25 mm×3 mm 的热压烧结氮化硅陶瓷，参数如表1所示。光谱仪选用EM5000 中阶梯光栅光谱仪，光谱波段200 nm～900 nm，光谱分辨率0.1 nm。激光束经衰减器精确控制入射到靶面的激光能量，会聚的激光束通过分束器1 和分束器2 确定入射到靶面的激光能量和用于实时监测的激光能量比例。测试时通过调整三维移动平台来确定透镜与靶材之间的位置，并通过能量计和示波器实时监测激光能量和脉宽，以50 mJ 为能量间隔，在50 mJ～500 mJ 间依次选取10 个能量梯度对靶材进行辐照。光谱仪探头位置采用半导体激光器准直，调整探头位置使探头输出的准直激光与辐照强激光作用在靶材上的会聚点重合，确保探测区域为激光辐照区，激光与靶材相互作用过程产生的光谱信息，由会聚透镜收集经光纤传入光谱仪EM5000，将光信号转换为电信号，由计算机进行分析处理。

图 1 激光辐照氮化硅陶瓷测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device for silicon nitride ceramics irradiated by laser

3 实验结果与分析

3.1 测量结果

采集脉冲激光在50 mJ～500 mJ 能量下作用氮化硅陶瓷辐射光谱，预处理后光谱如图2 所示。呈现为连续谱上叠加有丰富的线状特征谱线，随激光能量的增加谱线强度上升，中心波长保持一致。激光能量500 mJ 光谱指认结果展示如图3 所示。由于谱线分布比较密集，将图3(a)中波长200 nm～350 nm 谱线展开如图3(b)、3(c)所示。根据NIST原子光谱数据库指认主要为硅、氧、氮原子和离子的特征谱线，说明靶材中硅原子已经电离，氧元素和部分氮元素特征谱线来自空气电离。不同原子、离子上下能级能量存在差异，跃迁几率不同，元素含量不同，跃迁产生谱线的中心波长和强度不同，242 nm～254 nm 波段光谱主要集中为硅原子特征谱线，等离子体特征谱线强度较高的主要分布在700 nm～800 nm 波段，其中部分光谱参数如表2 所示。第1 列是原子与离子的不同电离态，第3 列是跃迁几率和统计权重的乘积，主要用于光谱计算。

表 1 氮化硅陶瓷物理特性Table 1 Physical properties of silicon nitride ceramics

图 2 激光能量50 mJ～500 mJ 辐照氮化硅陶瓷光谱图Fig.2 Spectrogram of irradiated silicon nitride ceramics with laser energy of 50 mJ～500 mJ

图 3 激光能量500 mJ 辐照氮化硅陶瓷光谱图Fig.3 Spectrogram of irradiated silicon nitride ceramics with laser energy of 500 mJ

表 2 激光辐照氮化硅陶瓷光谱参数Table 2 Spectral parameters of silicon nitride ceramics irradiated by laser

光谱计算时主要用到谱线中心波长、相对强度和半高宽参数，波长和强度参数可直接在光谱图中提取。激光与氮化硅陶瓷作用过程谱线线宽主要受到Stark 展宽的影响，线型符合Lorentz 线型。利用Lorentz 函数拟合激光能量500 mJ 时，Si I 288.2 nm 谱线如图4 所示，黑色线为实测结果，红色曲线为拟合结果，半高宽为 0.12 nm。

图 4 Si I 288.2 nm 谱线洛伦兹拟合Fig.4 Lorentz fitting of Si I(288.2 nm)spectral line

3.2 电子温度计算

根据原子发射光谱理论，受激原子从高能级向低能级跃迁时，将以光的形式辐射出能量，产生特定的原子光谱。同种原子或者离子的2 条光谱线在局部热力学平衡状态（LTE）下，其辐射强度比值满足（2）式：

式中：I1和I2分别为2 条谱线的发射光谱强度；A1和A2为跃迁概率；g1和g2为统计权重；λ1和 λ2为2 条谱线的波长；E1和E2为2 条谱线激发态能量；k为波尔兹曼常数；Te为等离子体电子温度[17]。（2）式变形为（3）式后，-1kTe为斜率，等式两边其他参数已知，根据斜率值带入玻尔兹曼常数即可求出电子温度。

选用硅离子Si III 324.29 nm、Si III 396.23 nm 和Si III 437.61 nm 3 条特征谱线，根据玻尔兹曼斜线法计算得到不同激光能量下电子温度值如图5 所示。电子温度值整体呈上升趋势，这是由于注入激光能量的增加，等离子体中电子运动加剧，50 mJ时等离子体温度最低值为6 203 K，激光能量400 mJ时电子温度值达到最大值6 827 K。

图 5 不同激光能量下等离子体电子温度计算结果Fig.5 Calculation results of plasma electron temperature at different laser energies

3.3 电子密度计算

同时等离子体中发射原子受到周围运动电子和离子的电场作用，引起的谱线展宽为Stark 展宽，展宽线型为Lorentz 线型。利用发射光谱法对电子密度进行诊断，即利用谱线的 Stark 展宽量来计算等离子体的电子密度：

式中：Δλ1/2为谱线半高全宽；ne为电子密度；nd为德拜球内粒子数，；w是电子碰撞参数；A为离子碰撞参数。由于离子质量远大于电子质量，电子运动速度远大于离子运动速度，因此，可以忽略离子项的贡献，将（4）式简化为[18]

选择来自靶材元素的硅原子Si I 288.2 nm 典型特征谱线，利用Lorentz 函数拟合特征谱线得到谱线的半高全宽，电子碰撞展宽参数由文献[19]可知wsiI288.2nm=0.054，根据Stark 展宽公式计算得到等离子体电子密度如图6 所示。结果存在波动可能是由于激光作用靶材过程中等离子体喷溅物影响，激光能量200 mJ 时电子密度最小值为8.40×1015cm-3，250 mJ 时达到最大值1.14×1016cm-3。

图 6 不同激光能量下等离子体电子密度计算结果Fig.6 Calculation results of plasma electron density at different laser energies

3.4 电子振荡频率计算

等离子体中电子运动满足：

式中：ne为电子密度；e 为电子电量（e=1.602×10-19C）；me为电子质量（me=9.109×10-31kg）；εo为真空介电常数（εo=8.854×10-12F/m）[20]。

电子振荡角频率可表示为

等离子体中自由电子在做朗缪尔振荡，与等离子体电子密度密切相关，根据(7)式计算得到等离子体中电子振荡频率，式中 ω为角频率转化为频率结果，如图7 所示。电子振荡频率与电子密度值成正比，随着激光能量的增加，其变化规律与电子密度一致，激光能量200 mJ 时最小值为8.23×1011Hz，250 mJ 达到最大值9.58×1011Hz。

图 7 不同激光能量下等离子体电子振荡频率计算结果Fig.7 Calculation results of plasma electron oscillation frequencies at different laser energies

4 结论

针对航空航天领域常用的氮化硅陶瓷材料，设计搭建了激光与陶瓷相互作用试验系统。利用光谱仪测量了不同激光能量辐照氮化硅陶瓷辐射光谱。经指认选择硅原子和离子线状特征光谱曲线，计算得到了不同激光能量下，等离子体电子密度、电子温度和电子振荡频率值。电子温度随着激光能量的增加整体呈上升趋势，这是由于注入到靶面激光能量增加引起等离子体中电子运动加剧。电子密度与电子振荡频率值变化规律一致，存在波动可能是由于激光与陶瓷靶材作用过程中产生喷溅物影响。这些结果可为激光毁伤中材质识别和损伤位置判定提供基础数据，同时为氮化硅陶瓷材料特性研究提供参考。