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激光诱导铝等离子体中原子和离子组分膨胀特性

林芷伊 简俊涛 王小华 杭纬

激光诱导铝等离子体中原子和离子组分膨胀特性

林芷伊, 简俊涛, 王小华, 杭纬
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  • 为了了解等离子体中原子与离子组分的膨胀特性及背景气体存在状态下其运动状态的改变规律,设计了一系列实验,并进行了深入探究.采用波长为532 nm的纳秒激光剥蚀铝样品形成等离子体,并使用配有emICCD检测器的C-T型三光栅单色仪对等离子体进行时序采集,同时使用2400 gmm-1的光栅替代窄带滤光片进行不同组分成像诊断,得到铝等离子体中Al I(396.1 nm),Al Ⅱ(466.3 nm),Al Ⅲ(447.9 nm)的光谱分辨图像.在不同背景气压下采集了等离子体各组分光谱图像,探究背景气体对等离子体演化的影响.结果表明,在等离子体形成过程中,离子组分相对于原子组分分布在羽流前端,且角度分布较小.原子与离子组分的真空膨胀速度均处于104 ms-1量级.等离子体中离子组分的运动速度较高,且其运动速度随着离子价态的增加而增大,但在本实验使用的能量密度范围下,随激光能量的变化波动不大.中性原子的运动速度较慢,但随能量的增加而增大.随着膨胀过程的进行,各组分羽流沿样品表面法线方向推进且发射强度逐渐降低,对应的羽流密度和温度也相应降低.环境气压逐渐增大时,各研究组分运动状态与在高真空度下时有明显区别.在气压大于1 Pa后,等离子体与环境气体发生相互渗透,膨胀前端出现的晕影,产生扰动,发生束缚缓速.且等离子羽因气压增大而收缩、与背景气体的碰撞概率增加,使得羽流发射强度加强,等离子体的寿命随之延长.提出的新颖诊断方法与实验所得结果可为等离子体组分动力学过程的研究提供参考.
      通信作者: 杭纬, weihang@xmu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(基金号:21427813)资助的课题.
    [1]

    Emara E M, Imam H, Hassan M A, Elnaby S H 2013 Talanta 117 176

    [2]

    Pedarnig J D, Kolmhofer P, Huber N, Praher B, Heitz J, Rssler R 2013 Appl. Phys. A: Mater. 112 105

    [3]

    Srungaram P K, Ayyalasomayajula K K, Fang Y Y, Singh J P 2013 Spectrochim. Acta B 87 108

    [4]

    Wu J, Wei W, Yang Z, Li X 2014 IEEE Trans. Plasma Sci. 42 2586

    [5]

    Harilal S, Bindhu C, Tillack M, Najmabadi F, Gaeris A 2003 J. Appl. Phys. 93 2380

    [6]

    Sankar P, Nivas J J J, Smijesh N, Tiwari G K, Philip R 2017 J. Anal. Atom. Spectrom. 32 1177

    [7]

    Hahn D W, Omenetto N 2010 Appl. Spectrosc. 64 335

    [8]

    Ma, Q L, Motto-Ros V, Lei W Q, Boueri M, Bai X S, Zheng L J, Zeng H P, Yu J 2010 Spectrochim. Acta B 65 896

    [9]

    Bogaerts A, Chen Z, Bleiner D 2006 J. Anal. Atom. Spectrom. 21 384

    [10]

    Bogaerts A, Chen Z 2004 J. Anal. Atom. Spectrom. 19 1169

    [11]

    Chen Z, Bleiner D, Bogaerts A 2006 J. Appl. Phys. 99 063304

    [12]

    Zheng P C, Liu H D, Wang J M, Yu B, Yang R, Zhang B, Wang X M 2014 Chin. J. Laser 41 1015001 (in Chinese) [郑培超, 刘红弟, 王金梅, 于斌, 杨蕊, 张斌, 王晓蒙 2014 中国激光 41 1015001]

    [13]

    Wang X L, Zhang N, Zhao Y B, Li Z L, Zhai H C, Zhu X N 2008 Acta Phys. Sin. 57 354 (in Chinese) [王晓雷, 张楠, 赵友博, 李智磊, 翟宏琛, 朱晓农 2008 物理学报 57 354]

    [14]

    Freeman J R, Harilal S S, Diwakar P K, Verhoff B, Hassanein A 2013 Spectrochim. Acta B 87 43

    [15]

    Li X Y, Lin Z X, Liu Y Y, Chen Y Q, Gong S S 2004 Acta Opt. Sin. 24 1051 (in Chinese) [李小银, 林兆祥, 刘煜炎, 陈扬锓, 龚顺生 2004 光学学报 24 1051]

    [16]

    Guo K M, Gao X, Hao Z Q, Lu Y, Sun C K, Lin J Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 075212 (in Chinese) [郭凯敏, 高勋, 郝作强, 鲁毅, 孙长凯, 林景全 2012 物理学报 61 075212]

    [17]

    Miyabe M, Oba M, Limura H, Akaoka K, Khumarni A, Kato M, Wakaida I 2015 Spectrochim. Acta B 110 101

    [18]

    Bai X S, Ma Q L, Perrier M, Motto-Ros V, Sabourdy D, Nguyen L, Jalocha A, Yu J 2013 Spectrochim. Acta B 87 27

    [19]

    NIST Atomic Spectra Database Lines Form https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html [2018-4-2]

    [20]

    Bulgakova N M, Bulgakov A V, Bobrenok O F 2000 Phys. Rev. E 62 5624

    [21]

    Wang X, Zhang S, Cheng X, Zhu E, Hang W, Huang B 2014 Spectrochim. Acta B 99 101

    [22]

    Torrisi L, Caridi F, Margarone D, Borrielli A 2008 Appl. Surf. Sci. 254 2090

    [23]

    Tang X S, Li C Y, Zhu G L, Ji X H, Feng E Y, Zhang W J, Cui Z F 2004 Chin. J. Laser 31 687 (in Chinese) [唐晓闩, 李春燕, 朱光来, 季学韩, 凤尔银, 张为俊, 崔执凤 2004 中国激光 31 687]

    [24]

    Chen X, Bian B M, Shen Z H, Lu J, Ni X W 2003 Micro. Opt. Techn. Lett. 38 75

    [25]

    Sharma A K, Thareja R K 2005 Appl. Surf. Sci. 243 68

  • [1]

    Emara E M, Imam H, Hassan M A, Elnaby S H 2013 Talanta 117 176

    [2]

    Pedarnig J D, Kolmhofer P, Huber N, Praher B, Heitz J, Rssler R 2013 Appl. Phys. A: Mater. 112 105

    [3]

    Srungaram P K, Ayyalasomayajula K K, Fang Y Y, Singh J P 2013 Spectrochim. Acta B 87 108

    [4]

    Wu J, Wei W, Yang Z, Li X 2014 IEEE Trans. Plasma Sci. 42 2586

    [5]

    Harilal S, Bindhu C, Tillack M, Najmabadi F, Gaeris A 2003 J. Appl. Phys. 93 2380

    [6]

    Sankar P, Nivas J J J, Smijesh N, Tiwari G K, Philip R 2017 J. Anal. Atom. Spectrom. 32 1177

    [7]

    Hahn D W, Omenetto N 2010 Appl. Spectrosc. 64 335

    [8]

    Ma, Q L, Motto-Ros V, Lei W Q, Boueri M, Bai X S, Zheng L J, Zeng H P, Yu J 2010 Spectrochim. Acta B 65 896

    [9]

    Bogaerts A, Chen Z, Bleiner D 2006 J. Anal. Atom. Spectrom. 21 384

    [10]

    Bogaerts A, Chen Z 2004 J. Anal. Atom. Spectrom. 19 1169

    [11]

    Chen Z, Bleiner D, Bogaerts A 2006 J. Appl. Phys. 99 063304

    [12]

    Zheng P C, Liu H D, Wang J M, Yu B, Yang R, Zhang B, Wang X M 2014 Chin. J. Laser 41 1015001 (in Chinese) [郑培超, 刘红弟, 王金梅, 于斌, 杨蕊, 张斌, 王晓蒙 2014 中国激光 41 1015001]

    [13]

    Wang X L, Zhang N, Zhao Y B, Li Z L, Zhai H C, Zhu X N 2008 Acta Phys. Sin. 57 354 (in Chinese) [王晓雷, 张楠, 赵友博, 李智磊, 翟宏琛, 朱晓农 2008 物理学报 57 354]

    [14]

    Freeman J R, Harilal S S, Diwakar P K, Verhoff B, Hassanein A 2013 Spectrochim. Acta B 87 43

    [15]

    Li X Y, Lin Z X, Liu Y Y, Chen Y Q, Gong S S 2004 Acta Opt. Sin. 24 1051 (in Chinese) [李小银, 林兆祥, 刘煜炎, 陈扬锓, 龚顺生 2004 光学学报 24 1051]

    [16]

    Guo K M, Gao X, Hao Z Q, Lu Y, Sun C K, Lin J Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 075212 (in Chinese) [郭凯敏, 高勋, 郝作强, 鲁毅, 孙长凯, 林景全 2012 物理学报 61 075212]

    [17]

    Miyabe M, Oba M, Limura H, Akaoka K, Khumarni A, Kato M, Wakaida I 2015 Spectrochim. Acta B 110 101

    [18]

    Bai X S, Ma Q L, Perrier M, Motto-Ros V, Sabourdy D, Nguyen L, Jalocha A, Yu J 2013 Spectrochim. Acta B 87 27

    [19]

    NIST Atomic Spectra Database Lines Form https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html [2018-4-2]

    [20]

    Bulgakova N M, Bulgakov A V, Bobrenok O F 2000 Phys. Rev. E 62 5624

    [21]

    Wang X, Zhang S, Cheng X, Zhu E, Hang W, Huang B 2014 Spectrochim. Acta B 99 101

    [22]

    Torrisi L, Caridi F, Margarone D, Borrielli A 2008 Appl. Surf. Sci. 254 2090

    [23]

    Tang X S, Li C Y, Zhu G L, Ji X H, Feng E Y, Zhang W J, Cui Z F 2004 Chin. J. Laser 31 687 (in Chinese) [唐晓闩, 李春燕, 朱光来, 季学韩, 凤尔银, 张为俊, 崔执凤 2004 中国激光 31 687]

    [24]

    Chen X, Bian B M, Shen Z H, Lu J, Ni X W 2003 Micro. Opt. Techn. Lett. 38 75

    [25]

    Sharma A K, Thareja R K 2005 Appl. Surf. Sci. 243 68

  • [1] 唐永建, 郑志坚, 何海恩, 淳于书泰, 龚美霞, 雷志远, 刘进元. 激光加热碳、金平面靶等离子体膨胀过程. 物理学报, 1989, 38(1): 105-110. doi: 10.7498/aps.38.105
    [2] 廖庆亮, 黄运华, 齐俊杰, 高战军, 张 跃, 夏连胜, 张 篁. 碳纳米管阴极的短脉冲爆炸场发射与等离子体膨胀. 物理学报, 2008, 57(3): 1778-1783. doi: 10.7498/aps.57.1778
    [3] 王润文, 潘成明, 林尊琪, 朱大庆, 何兴法, 赵继然, 王笑琴, 陈仲裕, 柏建荣, 江敏华. 激光等离子体自发电流. 物理学报, 1987, 36(4): 452-458. doi: 10.7498/aps.36.452
    [4] 沈文达, 朱莳通, 王黎君. 球对称激光等离子体中的快离子膨胀. 物理学报, 1985, 34(9): 1111-1118. doi: 10.7498/aps.34.1111
    [5] 李丞, 高勋, 刘潞, 林景全. 磁场约束下激光诱导等离子体光谱强度演化研究. 物理学报, 2014, 63(14): 145203. doi: 10.7498/aps.63.145203
    [6] 梁亦寒, 胡广月, 袁鹏, 王雨林, 赵斌, 宋法伦, 陆全明, 郑坚. 纳秒激光烧蚀固体靶产生的等离子体在外加横向磁场中膨胀时的温度和密度参数演化. 物理学报, 2015, 64(12): 125204. doi: 10.7498/aps.64.125204
    [7] 谭维翰, 马国彬. 短脉冲驱动下膨胀冷却等离子体中软X射线激光研究. 物理学报, 1994, 43(6): 942-949. doi: 10.7498/aps.43.942
    [8] 刘院省, 刘世炳, 宋海英, 何润. 脉冲激光-铜靶等离子体产生及其演化过程的瞬态光谱研究 . 物理学报, 2012, 61(4): 044204. doi: 10.7498/aps.61.044204
    [9] 徐至展, 李安民, 陈时胜, 林礼煌, 梁向春, 欧阳斌, 毕无忌, 何兴法, 殷光裕, 张树干, 潘成明. 激光加热等离子体研究. 物理学报, 1981, 30(8): 1077-1084. doi: 10.7498/aps.30.1077
    [10] 钟志成, 张端明, 关 丽, 李智华, 侯思普, 杨凤霞, 郑克玉. 脉冲激光制膜过程中等离子体演化规律的研究. 物理学报, 2003, 52(1): 242-246. doi: 10.7498/aps.52.242
    [11] 冯贤平, 徐至展, 江志明, 张正泉, 陈时胜, 范品忠, 田莉, 周智锦. 等离子体中高阶电离离子的空间分布. 物理学报, 1988, 37(7): 1183-1187. doi: 10.7498/aps.37.1183
    [12] 仇猛淋, 王广甫, 褚莹洁, 郑力, 胥密, 殷鹏. 高低温条件下氟化锂材料的离子激发发光光谱分析. 物理学报, 2017, 66(20): 207801. doi: 10.7498/aps.66.207801
    [13] 韩波, 王菲鹿, 梁贵云, 赵刚. 实验室光致电离等离子体中激发过程的研究. 物理学报, 2016, 65(11): 110503. doi: 10.7498/aps.65.110503
    [14] 李林茜, 石雁祥, 王飞, 魏兵. 弱电离尘埃等离子体层反射与透射的SO-FDTD方法分析. 物理学报, 2012, 61(12): 125201. doi: 10.7498/aps.61.125201
    [15] 王龙, 罗耀全, 李赞良, 王文书, 杨思泽, 李文莱, 戚霞枝, 赵华. 托卡马克微波预电离等离子体. 物理学报, 1989, 38(5): 714-721. doi: 10.7498/aps.38.714
    [16] 顾震宇, 季沛勇. 等离子体密度对多光子电离的影响. 物理学报, 2002, 51(5): 1022-1025. doi: 10.7498/aps.51.1022
    [17] 蒋小华, 李文洪, 刘慎业, 丁永坤, 郑志坚, 王哲斌, 赵 斌, 郑 坚, 胡广月, 刘万东, 俞昌旋. 激光等离子体中Thomson散射光谱的拟合. 物理学报, 2005, 54(1): 211-216. doi: 10.7498/aps.54.211
    [18] 龚顺生, 林兆祥, 吴金泉. 延迟双脉冲激光产生的空气等离子体的光谱研究. 物理学报, 2006, 55(11): 5892-5898. doi: 10.7498/aps.55.5892
    [19] 唐京武, 黄笃之, 易有根. Au激光等离子体X射线发射光谱的理论研究. 物理学报, 2010, 59(11): 7769-7774. doi: 10.7498/aps.59.7769
    [20] 高勋, 宋晓伟, 陶海岩, 林景全, 郭凯敏. 飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究. 物理学报, 2011, 60(2): 025203. doi: 10.7498/aps.60.025203
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-03
  • 修回日期:  2018-05-23
  • 刊出日期:  2018-09-20

激光诱导铝等离子体中原子和离子组分膨胀特性

  • 1. 厦门大学化学化工学院化学系, 谱学分析与仪器教育部重点实验室, 厦门 361005
  • 通信作者: 杭纬, weihang@xmu.edu.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(基金号:21427813)资助的课题.

摘要: 为了了解等离子体中原子与离子组分的膨胀特性及背景气体存在状态下其运动状态的改变规律,设计了一系列实验,并进行了深入探究.采用波长为532 nm的纳秒激光剥蚀铝样品形成等离子体,并使用配有emICCD检测器的C-T型三光栅单色仪对等离子体进行时序采集,同时使用2400 gmm-1的光栅替代窄带滤光片进行不同组分成像诊断,得到铝等离子体中Al I(396.1 nm),Al Ⅱ(466.3 nm),Al Ⅲ(447.9 nm)的光谱分辨图像.在不同背景气压下采集了等离子体各组分光谱图像,探究背景气体对等离子体演化的影响.结果表明,在等离子体形成过程中,离子组分相对于原子组分分布在羽流前端,且角度分布较小.原子与离子组分的真空膨胀速度均处于104 ms-1量级.等离子体中离子组分的运动速度较高,且其运动速度随着离子价态的增加而增大,但在本实验使用的能量密度范围下,随激光能量的变化波动不大.中性原子的运动速度较慢,但随能量的增加而增大.随着膨胀过程的进行,各组分羽流沿样品表面法线方向推进且发射强度逐渐降低,对应的羽流密度和温度也相应降低.环境气压逐渐增大时,各研究组分运动状态与在高真空度下时有明显区别.在气压大于1 Pa后,等离子体与环境气体发生相互渗透,膨胀前端出现的晕影,产生扰动,发生束缚缓速.且等离子羽因气压增大而收缩、与背景气体的碰撞概率增加,使得羽流发射强度加强,等离子体的寿命随之延长.提出的新颖诊断方法与实验所得结果可为等离子体组分动力学过程的研究提供参考.

English Abstract

参考文献 (25)

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