脉冲 CO2激光诱导空气等离子体的光谱诊断

第３７卷　第５期２０１３年９月

激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．５

Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１３

文章编号：１００１－３８０６（２０１３）０５－０６３６－０６

脉冲ＣＯ２激光诱导空气等离子体的光谱诊断

唐　建，左都罗倡

，杨晨光，程祖海

（华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉４３００７４）

摘要：为了了解激光诱导等离子体的演化过程，得到等离子体的相关参量，采用横向激励大气压ＣＯ２激光器

在抛物反射面中聚焦击穿空气形成等离子体，利用成像光谱仪和增强型ＣＣＤ探测器对激光诱导等离子体进行了时间和空间分辨的实验分析，取得了激光诱导空气等离子体的时间演化和空间分辨光谱。分别利用氧原子的线状

谱和连续谱的比值及谱线半峰全宽计算得到电子温度达到了４×１０４Ｋ，电子密度在１０１８ｃｍ－３

量级。结果表明，相比于低能量的激光诱导等离子体的辐射光谱，高能量激光诱导的等离子体则向外辐射出很强的连续光谱，同时，等离子体以激光支持爆轰波的形式快速向外膨胀，由于外围等离子体对激光能量的屏蔽作用，等离子体出现了空间分离的现象。该研究结果对理解等离子体和高能量脉冲激光的相互作用过程是有帮助的。

关键词：激光技术；光谱学；激光诱导等离子体；时间和空间分辨光谱；电子温度和电子密度中图分类号：Ｏ５３９；Ｏ４３３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０畅７５１０／ｊｇｊｓ畅ｉｓｓｎ畅１００１－３８０６畅２０１３畅０５畅０１６

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａ；ｓｐａｔｉｏ－ｔｅｍｐｏｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙ

作者简介：唐　建（１９８５－），男，博士研究生，主要从事激光等离子体及其应用方面的研究。

倡通讯联系人。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｕｏｄｕｌｕｏ＠ｍａｉｌ畅ｈｕｓｔ畅ｅｄｕ畅ｃｎ收稿日期：２０１２－１１－１９；收到修改稿日期：２０１２－１２－２７

引　言

当高功率的激光作用在各种物质上时，会使物

质发生快速离化产生高温高压的等离子体，并同时向外发出光辐射。利用激光诱导等离子体产生的冲击波可以推动飞行器进入近地轨道，相比于传统的化学运载火箭，激光推进由于不需要携带燃料，具有

低成本、高比冲、发射便捷等优点，使得激光推进在

近１０年来得到了研究者们的广泛关注和深入研究［１］

。利用激光诱导等离子体也可以减小高超声速飞行器的气动阻力，尽可能地提高燃料的利用效率［２］

。而激光诱导等离子体产生的光谱则可以用来检测物质成分，并成为了当今物质检测的一个重

要手段［３］

。

在利用激光诱导等离子体进行激光推进方面，美国、俄罗斯、德国和日本已经做了大量的实验研究

工作［４－７］。在国内，中国科学院电子学研究所［８］

利用能量为１３Ｊ、重复频率为５０Ｈｚ的横向激励大气压（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙｅｘｃｉｔｅｄａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ，ＴＥＡ）ＣＯ２激光器