激光诱导等离子体电信号探测_郑贤锋
第19卷第4期原 子 与 分 子 物 理 学 报V ol.19,№.4 2002年10月CHIN ESE JOU RNA L OF AT OM IC AN D M OL ECU LA R PHY SI CS Oct.,2002
文章编号:1000-0364(2002)04-0390-05
激光诱导等离子体电信号探测
郑贤锋,凤尔银,马 靖,杨 锐,季学韩,崔执凤
(安徽师范大学物理系原子与分子物理研究室,安徽芜湖24100)
摘要:准分子激光烧蚀固体样品产生激光等离子体,用外加直流电场方法收集电子、离子。分析了电流信号
的成因以及信号的时间演化特性。得到了电流信号强度与外加电压、缓冲气压和激光能量之间的关系。
关键词:激光等离子体,外加电场,电信号
中图分类号:O539 文献标识码:A
1 引言
高功率脉冲激光在沉积薄膜(PLD)和材料的微处理方面已经得到广泛的应用[1～4]。当激光能量密度超过固体材料的烧蚀阈值时,激光辐射区的固体材料发生汽化、原子化及离子化,在材料表面上形成激光等离子体羽。激光等离子体中主要存在电子、离子和中性原子。这些粒子之间以及粒子和激光光场具有强烈的相互作用,因而激光烧蚀是一个非常复杂的物理化学过程,其内在机理仍不十分清楚。为了弄清和控制激光烧蚀过程,在激光诱导等离子体声信号、光信号和电信号测量方面已进行了大量工作[5～10]。这些工作包括烧蚀期间的声波探测、等离子体光谱的光学多道分析。通过这些探测手段,获得了关于激光诱导的声振动和不同原子能级间的量子跃迁的信息。为了得到更多关于电子和带电粒子的信息,电信号的探测是必要的。时间飞行质谱、朗缪尔探针和法拉第圆筒的测量技术已广泛应用于测量带电粒子速度分布和研究电子、离子的产生过程[10～12]。这些测量技术直接基于电子、离子和电极的相互作用,而高速粒子和电极的相互作用会诱导二次电子发射,这会影响测量的准确性,而且这些实验都要求在高真空情况下进行,因而不适于研究缓冲气体对激光等离子体时、空演化特性的影响。在实验中,我们采用外加直流电场方法收集等离子体中电子、离子,通过分析电信号的特点来研究激光等离子体的特性。实验探讨了外加电场、缓冲气压和激光能量等因素对电信号的影响。
2 实验装置
实验装置如图1所示。烧蚀光源为LPX-105i 准分子激光,工作波长为308nm,脉宽为10ns。激光束经一直径为50mm、焦距为200mm的透镜聚焦到固体样品表面上。激光束在靶面的光斑直径为0.5mm。激光通量可在1～15J/cm2范围内变化。平行板电极固定于圆柱形不锈钢反应池内,反应池可以抽真空,又可以充入一定气压的缓冲气体,极板间距为25m m,极板面积为40×40mm2。缓冲气体为氩气、氦气和氮气,气压调节范围为1.33×103～1.60×105Pa。激光脉冲辐射在样品表面上,产生激光等离子体,这时在电极上加适当电压(可调范围:0-800VDC),电路中出现电信号,再经电流放大器(Keithley427)放大后,由数字存储示波器(Philips PM3350,带宽为50M Hz)选取信号,最后由绘图仪记录波形。实验样品固着在可转动的平台上,样品尺寸为20m m×10mm×2mm,主要元素为93.2%Al,2.83%M g,0.21%M n。
收稿日期:2002-04-15
基金项目:教育部骨干教师项目(GG-702-10370-1866),安徽省重点学科经费资助项目。
作者简介:郑贤锋(1970-),男,安徽师范大学原子与分子物理研究室,讲师,主要研究方向为分子光谱和激光等离子体。
3 实验结果
3.1 电信号的时间演化特性
在外加电压分别为5V 和10V 、激光通量为8.8J /cm 2
情况下,实验探测到的电信号如图2所示。可见,激光烧蚀后,首先记录到一个负的脉冲信号,该信号的上升时间～0.8μs ,半宽度～1.4μs ,信号持续约2μs ;随后出现正脉冲信号,信号的上升时间～8μs ,半宽度～11.3μs ,信号持续达几十微秒。同一实验条件下,正信号峰值是负信号峰值的～10倍
。
我们根据图3给出的激光烧蚀模型并结合图4的电路简图对实验记录到的电信号加以解释。在激光烧蚀的最早期,仅有电子发射,如图3(a )所示;随
着延时的增加,出现了正离子,但此时电子和离子并
未完全分离,如图3(b )所示;随着延时的进一步增
加,由于电子的速度远大于离子的速度,等离子体明显分为电子和离子两部分,如图3(c )。这些电子和离子向两电极运动形成电流。我们认为,负脉冲信号主要是由极少数动能足够大的电子克服电场力的作用到达电极Ⅰ形成的,因而信号强度相对较弱;正脉冲信号主要是由多数运动速度相对较慢的离子到达电极Ⅰ形成的,信号强度要比前者强得多。电流信号由两部分组成—离子和电子的定向运动形成的
电流,即
I =I ++I -=I Ⅰ
++I Ⅱ
++I Ⅰ
-+I Ⅱ
-(1)
上式中I Ⅰ+,I Ⅱ
+分别为离了到达电极Ⅰ和Ⅱ形成的电流,I Ⅰ-,I Ⅱ-分别为电子到达电极Ⅰ和Ⅱ形成的电流。由图4中电路特点可知,I Ⅱ+和I Ⅱ
-对电流的贡
献为零,实际上电流为:
I =I Ⅰ++I Ⅰ
-
(2)
即离子和电子到达电极Ⅰ形成的。在电子离子向电极Ⅰ运动过程中,电子需要克服电场力作用,而离子则是受到电场力的加速。因而只有那些动能足够大的电子才能克服电场力的作用到达电极Ⅰ形成电
391
第19卷第4期 郑贤锋等:激光诱导等离子体电信号探测
流,这样的电子数量相对较少。由于电子运动速度远大于离子运动速度,最先记录到的电流应是电子所产生,电流相对较弱。随着时间的推移,离子陆续到达电极Ⅰ形成正的电流信号。在以下各部分内容中,我们仅就离子运动形成的电信号进行讨论。3.2 信号强度和外加电压之间的关系
在缓冲气压为1.33×104
Pa 、激光通量为8.8J /cm 2的条件下,我们测定了不同外加直流电压下激光诱导Al 等离子体的电信号强度。实验结果如图5所示。由图可见:①电流信号随外加电压的增加而增大,但并非线性增长;②相同外加电压下,氩气环境中等离子体电流信号强于氦气环境中电流信号,而且二者都远大于氮气环境下的电流信号强度;③在氮气环境中,激光等离子体电流信号强度随电压的增加而非常缓慢的增长;④电信号存在饱和现象
。
3.3 信号强度与缓冲气压之间的关系
在外加直流电压为25V 和激光通量为8.8J /cm 2的情况下,实验测量了不同缓冲气压下电信号的强度,气压范围为1.33×103～1.52×105Pa 。实验结果如图6所示。可见:①对同一种缓冲气体,当气压较小时,电信号强度随压力变化非常显著;当压力大于～1.01×105Pa 时,信号强度基本不变,即使增大外加电压,信号强度也无明显增强;②在相同的压力下,氩气环境中信号强度最强,氮气环境中电信号强度要比氩气和氦气中弱得多
。
3.4 信号强度和激光能量之间的关系
在外加电压为25V ,缓冲压力为1.33×104Pa 的情况下,测定了Al 等离子体电信号强度随激光能量的关系。实验结果如图7所示。当外加电压与缓冲气压一定时,信号强度随激光功率密度的增大而增强。在氩气和氦气环境中,这种增强效应更为显著。当激光通量在～3-6J /cm 2之间变化时,信号基本上线性增长;当激光通量超过～10J /cm 2
时,信
392 原 子 与 分 子 物 理 学 报 2002年
号强度有趋于饱和的趋势。
4 讨论
激光诱导等离子体电子密度较高,电子和离子平均自由程很小,在飞行时并不是理想的无碰撞过程,而是经历非常复杂的相互作用,如碰撞激发、消激发,碰撞电离、复合以及正负电荷之间的库仑相互作用,当激光能量与气压一定时,信号达到饱和前,信号强度随外加电压的增加而增加但并非线性增长。
由图6可见,电流信号对环境气体变化非常敏感,其内在物理机理较复杂。结合缓冲气体物理化学特性,我们对这一实验结果作定性解释。在激光脉冲作用期间,样品表面的局部区域快速加热升温,引起样品强烈蒸发、汽化,产生大量的颗粒、团簇、原子、离子和电子。在高能电子和激光作用下,样品表面的环境气体发生电子击穿,形成缓冲气等离子体,而电子又通过逆轫致辐射吸收激光能量,达到很高的温度。在激光脉冲作用的初始阶段,这种缓冲气等离子体的电子密度和温度,不仅取决于激光辐射的功率密度,而且同环境气体的物理特性有关。由于Ar原子的第一电离电势(15.76eV[13])小于He 原子的第一电离电势(24.59eV[13]),在相同功率密度的激光辐射下,氩等离子体的电子密度和温度应大于氦等离子体的电子密度和温度,这就使得进入氩等离子体的样品成份得到较强的激发和电离,因而氩气环境下的电信号强度强于氦气环境中的电信号。N2分子不具有Ar、He原子那样的亚稳态能级结构,因而碰撞传能效率和电离效率都要远低于Ar、He等惰性气体原子,因此氮气环境下等离子体电信号强度要弱得多。当环境气体压强较小时,出射电子、离子与环境气体原子、分子发生碰撞的几率小,能量损失少,而且正负粒子复合的几率也小,因此探测到的电信号比较强。随着缓冲气体压强的增大,这种碰撞的几率增大,能量损失增加,而且正负粒子复合的几率也增加,因此探测到的电信号较弱。
理论上,我们可以通过电信号的时间演化特性得到激光等离子体的一些参数,如电子密度、温度和离子密度、温度等,进一步可以研究激光波长、辐射能量和辐射角度、环境气体和样品材料的特点(包括:成份、光学和热学特性等)对激光等离子体的影响。实验结果表明,尽管外加电压、缓冲气压和激光能量不同,但信号的上升时间和半高宽度都无明显的变化。我们认为,这是由于受到实验仪器分辨率的限制。许多研究人员利用时间飞行质谱研究激光烧蚀沉积机理时,得到离子平动能一般为几十个电子伏特[3,14]。按照他们的实验结果,离子到达电极板所需时间为μs量级(极板间距:2.5cm)。对局部热平衡等离子体,可以认为离子无碰撞飞向电极,取典型离子平动能为50eV,不同外加电压下离子到达电极所需时间如表1所示。可见,外加电压每增加10V,上升时间减少约10-2μs。考虑到等离子体中电子、离子间的频繁碰撞以及其它相互作用,离子到达电极所需时间应小于表中给出的数值。这么小的变化对我们所使用的实验设备来说是不能分辨的。
Table1 The ion drift time at the different additional voltages(ion kinetic energies:50eV) Voltag e(V)0102030405060708090100 T ime(μs)1.331.271.221.171.131.101.071.041.020.990.97
参考文献
[1]Rajiv K.Singh and J.Narayan.Pulsed-laser evapora tio n
technique for deposition of thin films[J].Physical
Review,1990,B41(13):8843～8859.
[2]Y.F.Lu,Yoshinobu YOYA GI,and Susumu N amba.
Laser surface cleaning in air:mechanisms and applications [J].Jpn.J.A ppl.P hys.,1994,33:7138～7143. [3]J.Dieleman,E.V an de https://www.sodocs.net/doc/c12047959.html,ser ablation deposition:
mechanisms and applications[J].Jpn.J.Appl.P hys.
PartⅠ,1992,31;1964.
[4]M.C.G https://www.sodocs.net/doc/c12047959.html,ser processing in manufacturing[M].
London,chapman and hall,1993:189.
[5]J.F.Ro ady.Effects of hig h pow er laser radia tio n[M].
N ew Yo rk,Academic,1971,185.
[6]Y.F.Lu,M.H.Hong,and S.J.Chua.Audible
acoustic w ave emission in excimer laser interaction with materials[J].J.A ppl.Phys.,1996,79(5):2186～2 190.
[7]Q.Y.Ling,D.T.Shaw,and H.S.Kwo k.
Spectroscopic study of plasma-assisted laser depositio n of
YbaCuO[J].Appl.Phys.Lett.,1988,53(18):1962-1764.
[8]崔执凤等.准分子激光诱导等离子体Stark展宽时空特
393
第19卷第4期 郑贤锋等:激光诱导等离子体电信号探测
性研究[J].原子与分子物理学报,1999,16(3):307.
[9]郑贤锋,杨锐,崔执凤等.外加电场下激光诱导等离子
体电子、离子特性的实验研究[J].原子与分子物理学报,2002,19(1):1.
[10]J.M.Hendro n et https://www.sodocs.net/doc/c12047959.html,ngmuir probe measurement of
plasma parameters in late stag es of a laser abla tio n plume [J].Appl.Phy s.,1997,81(5):2131～2134. [11]J.P.Zheng et al..Electrostatic measurement of plasma
plume characteristics in pulsed laser evaporated carbo n [J].Appl.Phy s.Lett.,1989,54:280.[12]C.G.G ill,T.M.Allen,and N.S.Nogar.Low～
power resonant laser ablation of copper[J].Applied Optics,1996,35(12):2069～2081.
[13]Charlo tte E.M oore.A tomic Energy level[M],
Washing ton,NSRDS-NBS,1971.
[14]R.M.M ayo and J.M.New man.Electrostatic
measurement of plasma plume characteristics in pulsed laser ev aporated carbo n[J].J.A ppl.Phys.,1999,86
(5):2865～2871.
Study on the dynamic characteristic of the laser produced
plasma in the additional electric field
ZHENG Xian-feng,FENG Er-y in,M A Jin,YANG Rui,JI Xue-han,C UI Zhi-feng
(Institute of atomic and molecular phys ics,Anhui Normal University,241000)
A bstract:Electrons and ions in plasma by Excimer Laser ablating of the solid sample are collected by the electrodes.The forming of the electric sig nal and the time dependent characteristics are analyzed.The relation between the electric signal intensity w ith the additio nal voltage,the pressure of the buffer g as and the laser fluency is obtained.
Keywords:Laser produced plasma;Additional electric field;Electrical current signal
394 原 子 与 分 子 物 理 学 报 2002年
激光诱导等离子体光谱分析
激光诱导等离子体光谱分析
激光光谱分析与联用技术 读书报告 日期：2011年5月25日 激光诱导等离子体光谱法
摘要：本文概述了激光诱导等离子光谱法的发展概况、基本原理、基本特性、仪器装置、应用方向和研究进展，并对该光谱法进行了展望。关键词：激光诱导等离子体光谱研究进展 前言： 激光诱导等离子体（LIP）近年来尤为受到关注，已经成为研究激光与物质相互作用的重要工具，在光谱分析，激光薄膜沉积和惯性约束核聚变等方面也有着广泛的应用。随着激光和阵列探测器的发展，激光诱导等离子体光谱技术（laser-induced plasma spectroscopy或者 laser-induced breakdown spectroscopy）在近30年内取得长足发展，成为原子光谱分析阵营中的一颗明星，犹如早些年的火焰原子吸收光谱法、光电直读光谱法和电感耦合等离子体发射光谱法，在很多领域得到广泛的应用。 1.发展概况 LIPS自1962年被报道以来，已被广泛地应用到多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、
环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA 的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。 LIPS发展可以分为三个阶段：第一个阶段是至自1962年提出到70年代中期，主要是在于研发利用光电火花源产生等离子体的仪器。第二个阶段是从1980年开始，这种技术重新被人们重视，但实际应用仍然受到笨重的仪器阻碍。第三个阶段是1983年迄今，激光诱导等离子体光谱开始以缩写形式LIPS，开始被商业公司开发应用。这种趋势导致分析工作更加集中于发展坚固的、移动的仪器。此时光纤也被应用于LIPS系统中，主要用于将等离子体发射信息和激光脉冲耦合进光谱仪。 近20多年来，LIPS测量技术在各个行业都有不同程度的应用。通过改进实验LIPS装置来提高测量精度。到上个世纪90年代中期开始，一些商业公司便开发出便携式半定量的成品仪器，
激光等离子体中一些基本过程及其应用
激光等离子体中一些基本过程及 其应用 郑春阳 北京应用物理与计算数学研究所 2008年10月16日北大
I.基本概念 II.黑腔激光等离子体相互作用过程（LPI）III.强场与“快点火”中LPI IV.激光天体物理
I.基本概念（1） 激光与非磁化等离子体相互作用主要涉及三种波：激光（电磁波）、电子等离子体波（Langmuir波）及离子声波 （1）电磁波：ω2＝ωp 2+k 2c 2(光子似乎得到“质量”m*c 2=h ωp ) ωL = ωp 对应n c =1.1×1021/λL 2cm -3(稀薄或稠密)(2)Langmuir 波: ω2＝ωp 2+3k 2λD 2（λD =v th,e / ωp ） 存在条件：v ph =ω/k ﹥﹥v th,e (Landau 阻尼） （3）离子声波：ω＝c ia k, c ia =(Zk B T e /m i )1/2 (ZT e /T i )1/2>1 在实际应用中，对等离子体中存在的大量集体模式（波、不稳定性）的激发、非线性耦合、时空演化的理解是至关重要的。
I.基本概念（2） 不同强度、波长的激光等离子体相互作用性质差异可以很大。我们关心的是电子在激光电场中的振荡能量与它们的热能量可比较 ≈1021cm-3,T e≈1keV 考虑：n e I L～c|E L|2/8π～cn e K B T～1015W/cm2 v osc>v e 激光惯性约束聚变（ICF)激光装置产生的强度范围 激光强度I ～1018W/cm2,v osc～c属于相对论强场物理范围。 L 激光等离子体过程为高度非线性，必须动力学手段描述。
前沿物理讲座--浅析激光等离子体相互作用原理
浅析激光等离子体相互作用原理 一、摘要 超强激光脉冲与等离子体相互作用是近几年新兴的前沿学科,它在激光蒸发沉积、激光推进、新型的粒子加速器、超快高能X射线光源和“快点火”惯性约束聚变等方面，都有着广泛的应用前景。因此，激光等离子体相互作用的研究是十分必要的。 论文中我们阐述了激光等离子体的性质相互作用。通过建立简化的物理模型，即将部分电离的等离子体简化为类氢离子讨论了激光等离子体相互作用物理和超短超强激光等离子体相互作用。最后，我们根据得到的一些相关结论简单的描述了激光等离子体的一些应用。 关键词：激光等离子体 二、介绍 人类对等离子体的研究从气体放电开始。1879年,英国的Crookes首先发现气体放电管中的电离气体区别于固、液、气三态，将之称为“物质第四态”。1928年,美国的Tonks和Langmuir采用等离子体(Plasma)来描述这种新的物质形态。随后，Vlasov和Landau等人建立了等离子体的动力学描述,这也标志了等离子体物理学的正式建立。到了二十世纪五十年代，在受控热核聚变和空间技术发展的推动下，等离子体物理逐渐发展成熟，成为一个新的、独立的物理学分支。等离子体是一种由大量电子、离子等带电粒子和中性粒子(原子，分子，微粒等)组成的,并具有一定集体行为的、准中性的、非束缚态的宏观体系。与通常的固、液、气三态相比，等离子体的基本特征主要是“准电中性”和“集体行为”。 自1960年Maiman研制成功第一台红宝石激光器以来，激光技术的每一次发展都极大的拓展了物理学的研究领域。图1给出了激光强度随年代的增长及相关的物理学进展。 图1
激光等离子体物理,是随着超短超强激光脉冲技术发展而形成的一个新的分支学科。激光技术的每一次革命,都为激光与等离子体作用的研究开辟新的领域。随着激光强度的不断增强,激光等离子体物理经历了从线性响应到非线性光学,再到相对论的非线性作用的研究历程。在现有激光技术的推动下(强度S 1023VI//cm2,脉宽/S 量级),超短超强激光脉冲同等离子体的作用更是成为了当今物理学研究前沿的一个重要分支。 现代激光技术的发展,引发了人们研究超短超强激光脉冲同等离子体作用的浓厚兴趣。这一方面是出于探索自然物理规律特别是非线性问题的需要,另一方面则是源于激光等离子体作用可以用来充当各种光子、电子和离子源气由于激光的高能量密度,这些产生的粒子源具有更好的紧凑性和其它一些非常优秀的束流性质,如高亮度、低散射度、短脉冲等。而这样的粒子源存在很多新颖的实际应用,比如在离子束治疗癌症、生物照相、超快探测、快点火聚变等方面将会产生巨大的作用。目前,国际上激光等离子体物理的主要研究领域在如下几个方面：激光驱动的可控惯性约束核聚变,粒子桌面加速器,基于激光等离子体作用的电磁波辐射源研究,如X 射线源P 气阿秒脉冲,高次谐波和太赫兹辐射等。另外,利用超短脉冲激光在大气中传播形成的超长等离子通道来实现激光雷达和激光引雷等研究也得到了人们越来越多的关注。 三、激光等离子体相互作用原理 高功率激光束照射靶物质时,部分激光能量被吸收,导致靶物质被加热、电离而产生热等离子体,从而激光直接与等离子体相互作用。激光等离子体相互作用与激光参数、等离子体的材料特性和状态参数等密切相关,其中最具决定性因素的是激光强度人和等离子体密度,。激光强度(激光的聚焦功率密度)为： L L E I S τ= （1） 其中L E 是打到靶面的激光能量,S 是激光束辐照在靶上的面积(焦斑),r 是激光脉冲的时间宽度。激光强度也可以用电场来表示: 20012 L I c E ε= （2） 其中0ε是真空中的介电常数,c 为“光速。另一个常用来表示激光强度的物理量是激光场的无量纲化振幅002e eA a m c =,其中0A 为激光矢势A 的幅值, e m 为电子质量, e 为电子电量,对于线极化激光有： 0A =（3） 圆极化激光有： 0A = （4） 其中0λ为激光波长。强度不同的激光发生相互作用的机理可能完全不同,强度超过1016瓦特的激光称为相对论激光,这是由于电子在激光电场中的高速振荡速
激光诱导土壤等离子体光谱辐射实验参数优化
1206011-1第47卷第12期 红外与激光工程2018年12月Vol.47No.12Infrared and Laser Engineering Dec.2018 收稿日期：2018-07-10；修订日期：2018-08-28 基金项目：重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目重点项目(cstc2015jcyjBX0016)；重庆市教委科学研究项目(KJ1500436)；教育部 留学回国人员科研启动基金(教外司留[2015]1098号）；重庆市基础科学与前沿技术研究专项项目一般项目 (cstc2016jcyjA0389)；重庆邮电大学博士基金(A2016-113) 作者简介：王金梅(1981-)，女，副教授，博士，主要从事光电检测技术方面的研究。Email:wangjm@https://www.sodocs.net/doc/c12047959.html, 通讯作者：郑培超(1980-)，男，教授，博士，主要从事光谱测量技术方面的研究。Email:zhengpc@https://www.sodocs.net/doc/c12047959.html, Optimization of experimental parameters of laser induced soil plasma spectral radiation Wang Jinmei,Yan Haiying,Zheng Peichao *,Xue Shuwen (Chongqing Municipal Level Key Laboratory of Photoelectronic Information Sensing and Transmitting Technology,College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China) Abstract:Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS)was employed to investigate the soil.LIBS analyses were performed with Nd:YAG laser operating at 1064nm,5.82ns pulse duration.The spectral lines of Ca II 393.37nm and Ca II 396.85nm were selected as the analytical lines for optimizing the experimental parameters (ICCD delay,laser energy,ICCD gate width,repetition rate and cumulative number of spectrum)which had influence on spectral line.The experimental conditions were determined as follows.The ICCD delay was 1μs,the laser energy was 50mJ,the ICCD gate width was 3.5μs,the repetition rate was 1Hz and the cumulative number of spectrum was 100times.Under the optimal experimental conditions,the results of the electron temperatures T e and electron densities N e were 11604K and 5.155×1016cm -3,respectively.The local thermal equilibrium condition of the plasma was satisfied.The results are useful for the analysis and detection of elements in soil. Key words:laser induced breakdown spectroscopy; sequential test;soil;electron temperatures; electron densities CLC number:O433.4；TN249Document code:A DOI ：10.3788/IRLA201847.1206011激光诱导土壤等离子体光谱辐射实验参数优化 王金梅，颜海英，郑培超*，薛淑文 (重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室，重庆400065) 摘要：采用激光诱导击穿光谱法(LIBS)对土壤进行了研究。激光器采用的是Nd:YAG 脉冲激光器，激光器的输出波长是1064nm ，脉宽是5.82ns ，激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体，通过优化实验参数(ICCD 延时、脉冲能量、ICCD 门宽、脉冲频率、谱图积累次数)对Ca II 393.37nm 和Ca II 396.37nm 两条特征谱线强度及信背比的影响，确定实验最佳条件是ICCD 延时1μs ，激光能量50mJ ，ICCD 门宽3.5μs ，脉冲频率1Hz ，谱图积累次数100次。在最优实验条件下计算等离子体参数，得出土壤中的等离子体电子温度是11604K ，土壤的等离子体电子密度是5.155×1016cm -3，经过万方数据
激光诱导等离子体光谱法(LIPS)及其影响因素
基于LIPS检测铬铁碳含量时影响因素的分析 摘要利用聚焦的强激光束入射物体表面产生激光等离子体，对等离子体中原子和离子发射谱进行元素分析叫做激光诱导等离子体光谱法(Laser-induced plasma spectroscopy)，简称LIPS。由于LIPS测量方法具有许多优点，如不需对样品进行预处理，快速、无损检测，高灵敏度，可以对固体、液体、气体中的悬浮颗粒等进行实时的现场检测，所以这种方法逐渐成为化学分析的一种重要方法。影响分析检测的主要因素有激光的能量密度，激光的波长，激光脉冲宽度，样品的物理化学性质，以及周围环境气体的性质和压力等的影响。 关键字激光诱导等离子体光谱法(LIPS) 碳元素含量光谱仪影响因素 1引言 激光诱导等离子体光谱法（LIPS）是基于高强度的脉冲激光与材料相互作用，产生等离子体，对等离子体辐射的光谱分析，获得被测物质的成分和含量，适用于固体、液体和气体样品。脉冲激光束（脉宽纳秒量级，单脉冲能量几十毫焦）经透镜聚焦后作用于样品表面，能量密度达到GW/2cm以上，辐照处物质蒸发、气化后形成稠密的等离子体，等离子体一般能持续几十微秒后衰减消失。激光诱导等离子体光谱法装置简便，样品无需预处理，发射一次脉冲能同时测量多种元素，可以实现快速的在线分析，大大提高生产效率，以及实现有毒、强辐射等恶劣环境下远距离、非接触性探测分析。LIPS 的应用领域非常广泛，在环境保护，地质矿藏勘探，核燃料分析处理钢铁冶金，考古,海洋等领域都有广泛的应用。 2 LIPS的装置与实验结果 2.1 LIPS的典型装置 典型的LIP S光谱探测系统主要由激光光源、光束传输系统、分光系统、信号接收系统、时序控制系统和计算机等组成。系统架构示意图如图1所示。该系统的工作原理为:脉冲激光器输出的脉冲光束经聚焦透镜聚焦到样品表面，样品被烧蚀、蒸发、激发和离化后在样品表面形成高温、高压、高电子密度的等离子体的火花，辐射出包含原子和离子特征谱线的光谱;将等离子体光谱通过光纤导入到分光系统，分光系统后面的信号接收系统采集信号，将光信号转化成电信号输出;经数据处理电路进行滤波、放大、A/D转换、存储等处理过程，然后送入计算机进一步处理。经过上述步骤，即可完成整个光谱的采集过程。通常实验平台中引入时序控制系统，时序控制器控制激光脉冲发出和光信号检测之间的延迟时间，用于时间分辨光谱的研究和谱线信噪比的研究。
激光等离子体的受激Brillouin散射
第12卷 第1期 强激光与粒子束V o l .12,N o .1 2000年2月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S Feb .,2000 文章编号: 1001—4322(2000)01—048—03 激光等离子体的受激Br illou i n 散射 Ξ 蒋小华, 郑志坚, 李文洪, 刘永刚(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,高温高密度等离子体物理实验室,绵阳919-218信箱,621900) 郑 坚, 王以超 (中国科学技术大学近代物理系,合肥,230027) 摘 要: 研究了激光等离子体背向和侧向受激B rillou in 散射光谱结构。激光等离子体相互作用时,受激B rillou in 散射光谱受激光等离子体状态的影响而产生Dopp ler 效应。当激光以45°入射不同材料的平面靶时,等离子体运动产生不同的二维效应,高Z 材料产生的等离子体冕区主要沿靶法向运动,受激B rillou in 散射光谱在侧向产生较大蓝移,而低Z 材料则主要在激光入射方向产生较大蓝移。 关键词: 激光等离子体; 受激B rillou in 散射; Dopp ler 效应 中图分类号: O 437.2 文献标识码: A 受激B rillou in 散射(SB S )是激光等离子体中一个入射激光光波衰变为一个散射光波和一个离子声波的参量不稳定过程,它可发生在激光等离子体的整个次临界区[1,2]。在惯性约束聚变物理研究中,SB S 会带来不利的影响,另外它的发生和激光等离子体的状态密切相关,由SB S 产生的散射光将为诊断激光等离子体状态提供依据[1,3]。选择合适的激光2靶耦合方式控制激光等离子体状态的演变,将能有效降低聚变对激光器件的要求。因此,通过对不同角度的SB S 光谱结构的观测,来研究0.351Λm 激光与不同靶材作用对SB S 光谱结构的影响。 1 实验条件和结果 F ig .1 Experi m ent setup s 图1 实验装置布置图 星光 钕玻璃激光装置以三倍频输出,激光输 出波长为0.351Λm ,激光输出能量为70J ,激光脉冲 宽度为800p s ,激光入射靶面功率密度约为1×1014 W c m 2,激光以45°入射<600Λm 的平面盘靶,靶材 料分别为CH ,CH +A u 的多层靶(10层8nmA u + 3nm CH )及A u ,实验利用两台OM A 4光谱仪分别 在激光背向和侧向30°探测了SB S 的光谱结构。实 验布置如图1所示。 图2给出0.351Λm 激光作用平面CH 材料靶 时,在激光入射背向和侧向得到的红移SB S 光谱,在两方向上散射光谱结构完全一致,只是相对有一个平移,其中背向散射光谱相对侧向有0.4nm 的蓝移。 图3和图4是0.351激光与A u 盘靶和多层靶作用时,在背向和侧向得到的散射光谱,与CH 靶作用一样,各方向散射光谱结构相似,只是散射光谱变窄,但是侧向光谱相对背向出现了约0.1nm 的蓝移。 Ξ国家自然科学基金资助课题(19735002) 1999年7月28日收到原稿,2000年2月12日收到修改稿。 蒋小华,男,1968年8月出生,硕士,助研
固态和液态钢的激光诱导等离子体比较_KONDOHiroyuki
冶金分析，２０１３，３３（５）：１－５Ｍｅｔａｌｌｕｒｇ ｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ，２０１３，３３（５）：１－５文章编号：１０００－７５７１（２０１３）０５－０００１－０５ 固态和液态钢的激光诱导等离子体比较 ＫＯＮＤＯ Ｈｉｒｏｙ ｕｋｉ（新日本制铁株式会社高级技术实验室，富津２９３－ ８５１１，日本）摘 要：比较了产生于室温固态钢以及高温液态钢上激光诱导等离子体的特征、原子铁的激发温度以及电子密度。通过在３８６～４００ｎｍ波长范围的中性铁原子发射谱线， 由波尔兹曼作图法确定了铁原子的激发温度。通过测量Ａｌ Ｉ３９４．４ｎｍ的谱线宽度，估算了电子密度。对固体钢来说，铁元素的激发温度从延迟时间为１０μｓ时的１０ ８００Ｋ下降到延迟时间为８０μｓ时的７ ３００Ｋ。当延迟时间分别为１０μｓ和７０μｓ时，产生于固态钢和液态钢上等离子体间的激发温度并没有显著差别。在铁元素和铝元素大部分的中性原子线中，可以观察到液态钢的谱线宽度比固态钢的谱线宽度更窄。当激光脉冲的观察延迟时间均为１０μｓ时，产生于液态钢上等离子体的电子密度大约为（０．９９±０．１５）×１０１７／ｃｍ３，这相当于产生在固态钢上等离子体电子密度的４６％。 关键词：激光诱导击穿光谱（ＬＩＢＳ ）；等离子体温度；电子密度中图分类号：Ｏ６５７．３８ 文献标识码：Ａ 收稿日期：２０１２－１２－１５ 作者简介：ＫＯＮＤＯ Ｈｉｒｏｙｕｋｉ（１９５９－），男，高级研究员；Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｏｎｄｏｈ．ｈｉｒｏｙｕｋｉ＠ｎｓｃ．ｃｏ．ｊｐ ． Ｌ ＩＢＳ（激光诱导击穿光谱）的光谱线强度会受到许多因素的影响， 诸如激光能量密度、辐射、波长、持续时间、环境气体以及压力等。以激光诱 导等离子体的温度和电子密度与大气压［１］ 环境下 的环境气体、空气、氩气和氦气的对比为例，等离子体特性还取决于样品的物理性能。在将不锈钢样品加热到１ ０００Ｋ时，等离子体温度并没有很大程度的改变，而烧蚀质量却随着样品温度的上 升而增加［２－ ３］。实验表明，随着样品温度的上升， 样品表面的反射率下降，从而导致有效激光能量馏分的增加。 激光诱导击穿光谱在钢铁工业中应用优点之一在于激光诱导击穿光谱不仅适用于固态钢分 析［４－６］，同时还可用于液态钢的直接分析［ ７－ ９］。然而， 产生于液态钢和固态钢上的等离子体特性不一致。研究分析了产生于液态钢的激光诱导等离子体的温度和电子密度，并于同产生于固态钢中等离子体的温度和电子密度进行了比较，以便为激光诱导击穿光谱分析液态钢提供一些指导。 １ 实验部分 实验采用一个平凸透镜将Ｑ－开关Ｎ ｄ：ＹＡＧ激光（脉冲持续时间７ｎｓ，脉冲重复率１０Ｈｚ，波长１０６４ｎｍ）的辐射聚焦到样品表面，产生一个直径约１ｍｍ的斑点，从而对样品表面产生２００ｍＪ的脉冲能量。 在样品正常表面的入射激光的光轴中放置了一面涂覆有铝的穿孔镜子，等离子体中的发射光通过这面镜子进行反射，随后通过２０ｍ长的光学纤维束输送到配备有ＩＣＣＤ的３８０ｍｍ的Ｃｚ－ｅｒｎｙ －Ｔｕｒｎｅｒ光谱仪的入口狭缝中（宽度为６０μ ｍ）。然后通过ＰＩＮ光电二极管检测的散射消融激光起动时间分辨观察。通过数字脉冲发生器设置了观察的延长时间和栅极宽度。 在室温下，对固态钢样（日本钢铁有证的参考物质ＪＳＳ１７５－６）进行了分析。在液态钢的分析中，实验采用感应炉熔化了低碳钢，熔融钢的温度达到了１ ８７３Ｋ到１ ９２３Ｋ。在分析固态钢和液态钢两种试样时，都采用氩气吹样品分析表面。 — １—
激光诱导等离子体引燃MAG电弧的引弧特性研究
目录 摘要 ABSTRACT 目录 第一章绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2等离子基本特征和产生机制 (1) 1.2.1等离子体的定义 (1) 1.2.2电弧等离子体产生的机制 (2) 1.2.3激光等离子产生机制 (3) 1.2.4激光诱导等离子体的应用 (4) 1.3焊接电弧引弧现状的研究 (5) 1.3.1 TIG引弧的现状 (5) 1.3.2MAG/MIG引弧的现状 (6) 1.3.3激光等离子体引弧的现状 (8) 1.4选题意义及主要研究内容 (9) 第二章试验材料、设备及方法 (11) 2.1实验材料 (11) 2.2实验设备 (11) 2.3实验方法 (12) 2.3.1试验参数的设计 (12) 2.3.2焊接等离子光谱采集 (14) 2.3.3 熔滴过渡和等离子体形貌的采集方法 (14) 第三章复合焊接等离子体的诊断方法及物理特征的表征 (16) 3.1等离子体的诊断方法 (16) 3.2复合焊接等离子体光谱特征分析 (18) 3.3等离子体发射光谱的时间演化特性研究 (22) 3.4激光-电弧复合焊接等离子体参量的表征 (25) 3.4.1等离子体局部热力平衡判据 (25) 3.4.2等离子体的电子温度计算 (26) 3.4.3等离子体的电子密度计算 (28) 3.5复合焊接工艺参数对电弧等离子电子温度和电子密度影响规律 (30) 3.5.1电弧脉冲频率对电弧等离子体电子温度和电子密度的影响 (30) 3.5.2激光作用时间对电弧等离子体的电子温度和电子密度的影响 (32) 3.5.3热源间距对电弧等离子体的电子温度和电子密度的影响 (35)
等离子体中激光场的吸收机制
等离子体对激光的吸收机制： 超强激光在等离子体中传播时，在临界密度以下区域，激光能够直接进入，在 临界密度附近，激光被等离子体反射。激光在和等离子体的作用过程中，一部分电子被加速而引起电荷分离并产生静电场形成静电势阱，高速电子可以逃逸出此势阱进而增强电荷分离，电子可在此静电势阱中振荡并被加速，最后静电势阱被破坏把能量交给等离子体。 正常吸收： 逆韧致吸收：等离子体中的电子受激光场加速时，在等离子体的离子库仑场附近散射引起 的经典吸收过程。它对电子密度很敏感，它是短波长激光的主要吸收机制， 而且主要发生在临界面附近的地方。 非线性逆韧致吸收：当激光足够强时，电子的振荡速度会超过电子热速度，此时电子速度分 布就会和电场有关，变成非线性逆韧致吸收。此时，激光电场可以和原 子核的电场相比，还会发生多光子过程。非线性吸收系数大大偏离线性 吸收系数。但在激光核聚变的范围内不会有重要偏离。该系数与53 E 有关。 反常吸收：通过波-波相互作用和波-粒子相互作用使电子获得能量的过程 通过静电波加速和加热电子 通过朗道阻尼和波的破裂把波的能量交给电子 这主要发生在小于和等于临界密度区-----晕区物理 共振吸收；受激散射；成丝现象；参量不稳定性吸收 共振吸收(RA)：随着激光强度的增加，共振吸收变得重要。当平面极化激光斜入射时发生共 振吸收，由于在临界面处共振激发电子等离子体振荡，故称共振吸收。斜入 射的P 极化（电场平行于入射面）激光束激发等离子体波，在临界面附近可 以发生共振吸收。沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子体电荷分 离，引起等离子体振荡。在临界点处的等离子体频率等于激光频率，因而发 生共振，使电场强度（这应该是等离子体中的电场强度）的振幅变得很大， 导致激光共振吸收。它是波的模式的一种转换，横向的电磁波变成了纵向的 静电波。此静电波沿电子密度梯度方向向低密度等离子体中传播（共振处的电场强度最大，逆着激光传播方向，电场强度依次降低，使得静电波逆着激光传播方向进行传播），群速度逐渐增加，电场强度的振幅逐渐减少。某些电 子在这个静电波的电场中得到加速，达到很高的速度。这些很高速度的电子 的加速导致“波破裂”，释放出超热电子。共振吸收是产生超热电子的重要机 制之一。入射激光与临界密度面的反射光叠加,在临界密度以下区域形成局域 驻波, 产生的强有质动力在低密区驱动电子形成周期性密度结构Bragg 光 栅 反常表面吸收：激光垂直入射于过密等离子体时，电子离开等离子体表面薄层（该薄层内电 磁场不为零）的过程中，可以从电磁波中获得能量而得到加热。反常表面吸收是激光与过密等离子体作用时发生的。
激光诱导击穿光谱技术要点
激光诱导击穿光谱的原理、装置 及在地质分析中的应用 摘要 激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种目前正在发展中的对样品中元素成分进行快速、现场定量检测的分析技术。为了了解激光诱导击穿光谱技术(LIBS)技术和发展现况以及这项技术的应用情况，在课堂学习和相关基础实验的基础上，通过查阅相关文献和书籍进行了分析、整理、归纳。文章从LIBS的由来、基本原理和实验装置进行了综述，讨论了激光诱导击穿光谱技术在地质分析方面的应用。LIBS技术应用方便快捷，且应用前景广泛。 关键字：激光诱导击穿光谱；元素分析；地质分析
The Principle and Device of Laser Induced Breakdown Spectroscopy and its Application in Geological Analysis ABSTRACT Laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS)is a kind of analysis technique currently in development ,which is applied for rapid and on-site quantitative detection of the elements of the sample.To comprehend the laser induced breakdown spectroscopy(LIBS)technology, the current development status of LIBS technology and the application of the technology, LIBS technology was analyzed, arranged, and summarized on the basis of classroom learning , the related basic experiments and consulting relevant literatures and books. The origin, basic principle and experimental apparatus of LIBS are reviewed in this paper and the applications of laser induced breakdown spectroscopy in geological analysis are discussed.The application of LIBS technology are fast and convenient and LIBS technology will have broad application prospects. Key words:Laser Induced Breakdown Spectroscopy;elemental analysis;geological analysis
激光诱导等离子体光谱法
激光诱导等离子体光谱法 【摘要】激光诱导等离子体光谱分析是基于激光与材料相互作用物理学与光谱学的一项新兴物质成分和浓度分析技术，它是采用高功率激光器烧蚀材料产生等离子体，对等离子体辐射的光谱进行成分分析，可用于对固体、液体和气体成分以及浓度的测量。本文概述了激光诱导等离子光谱法的发展概况、基本原理、基本特性、仪器装置、应用方向和研究进展，并对该光谱法进行了展望。 【关键词】激光诱导等离子体；基本原理；研究进展 1.发展概况 激光诱导等离子体光谱分析（1aser-indueed plasma spectroscopy，简称LIPS）自1962年被报道以来，已被广泛地应用到多个领域，如钢铁成分在线分析、宇宙探索、环境和废物的监测、文化遗产鉴定、工业过程控制、医药检测、地球化学分析，以及美国NASA的火星探测计划CHEMCAM等，并且开发出了许多基于LIPS技术的小型化在线检测系统。 LIPS发展可以分为三个阶段：第一个阶段是至自1962年提出到70年代中期，主要是在于研发利用光电火花源产生等离子体的仪器。第二个阶段是从1980年开始，这种技术重新被人们重视，但实际应用仍然受到笨重的仪器阻碍。第三个阶段是1983年迄今，激光诱导等离子体光谱开始以缩写形式LIPS，开始被商业公司开发应用。这种趋势导致分析工作更加集中于发展坚固的、移动的仪器。此时光纤也被应用于LIPS系统中，主要用于将等离子体发射信息和激光脉冲耦合进光谱仪。[1] 近20多年来，LIPS测量技术在各个行业都有不同程度的应用。通过改进实验LIPS装置来提高测量精度。到上个世纪90年代中期开始，一些商业公司便开发出便携式半定量的成品仪器，LIPS仪器开始走向经济型商业化，从而更加有力地深入到各行业的应用中。[2] 2.基本原理 图1 等离子体演化示意图 脉冲激光束经透镜会聚后辐照在固体靶的表面，激光传递给靶材的能量大于热扩散和热辐射带来的能量损失，能量在靶表面聚集，当能量密度超过靶材的电离阈值时，即可在靶材表面形成等离子体，具体表现为强烈的火花，并伴随有响声。激光诱导的等离子体温度很高，通常在10000K以上，等离子体中含有大量激发态的原子、单重和多重电离的离子以及自由电子，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射，用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析，就可以得到被测样品的成分、含量等信息。通常经过聚焦后的激光功率密度达到GW/cm2量级，光斑处物质蒸发、气
激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展
R esearch Progress of Cooling System for Modern V ehicle Engine CH EN G Xiao 2bei ,Pan Li ,J V Hong 2ling (School of Energy &Power Engineering ,Huazhong University of Science &Technology ,Wuhan 430074,China ) Abstract :The development status ,influencing factors and existing problems of cooling system were briefly analyzed ,and the f ront design concept and research method like the intelligent electronic 2controlled coolin g ,precise cooling ,split cooling ,air 2side flow and vehicle thermal management for engine cooling system were also introduced.The hig h efficiency and low consumption realized with modern engine cooling system were discussed ,it was pointed out that the integration of precise cooling and split cooling with electronic 2controlled elements was the feasible method ,and the vehicle thermal management would be the main method to improve the cooling performance entirely. K ey w ords :automobile engine ;cooling system ;intelligent control ;thermal management ;prediction of development trend [编辑:潘丽丽] 收稿日期:2007210218;修回日期:2008201211 作者简介:马 骁(1983— ),男,四川省荥经市人,在读博士,主要研究方向为内燃机燃烧的激光诊断;max @https://www.sodocs.net/doc/c12047959.html, 。激光诱导荧光法用于内燃机燃烧可视化的研究进展 马 骁,何 旭,王建昕 (清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084) 摘要:阐述了激光诱导荧光法用于内燃机可视化的基本原理。结合研究实例中典型的试验装置重点介绍了激光诱导荧光法在内燃机可视化研究中的应用情况,包括燃烧组分和温度场的激光诱导荧光测量、高度挥发性燃料的喷雾与混合气形成的平面激光诱导荧光法测量以及内燃机喷雾中气液两相的复合激光诱导荧光测量。 关键词:内燃机;激光诱导荧光;可视化;混合气形成;喷雾 中图分类号:T K464 文献标志码:A 文章编号:100122222(2008)0120007207 近年来控制汽车尾气排放和燃油经济性的法规 日益严格,对内燃机的研发,尤其是在缸内混合气组织、燃烧控制方面提出了更高的要求。可视化技术能够直观地提供缸内混合气形成和燃烧状态的信息,,因而可视化研究作为内燃机基础研究的重要一环一直受到国内外内燃机界的重视。 以激光诱导荧光(L IF )法为代表的现代光学诊断方法用于内燃机可视化技术是近年来的研究热点。L IF 法可以以非侵入的形式定量测量主要污染物及中间产物浓度分布、流场温度、混合气浓度分布等参数,采用不同的试验装置可以进行单点、一维、二维及准三维的测量[1],是一种灵活而有效的测试手段。随着激光器、增强型电荷耦合器件(ICCD )及光电倍增管等技术的不断发展,L IF 法正被更多的 研究者用于内燃机可视化研究。 1 L IF 法的基本原理 当激光光子的能量(表征为波长λ)符合分子特 定两个能级之间能量间隔时,受照射分子可以吸收光子从基态跃迁至高能态。由于处于高能态的分子不稳定,故在一定时间内受激分子将通过辐射和非辐射的方式释放能量返回基态,在此过程中分子的自发辐射发光称为荧光。荧光的特性随荧光物质的种类、环境温度、压力以及周围物质氛围的不同而呈现出较大的差异[2]。在满足一定条件时,通过荧光的强度可以得到包括浓度、温度、组分在内的多种物理参数。 在用L IF 法进行内燃机可视化研究中,作为观察对象的受激分子通常是以NO 为代表的燃烧产物 第1期(总第173期)2008年2月车 用 发 动 机V EHICL E EN GIN E No.1(Serial No.173) Feb.2008
激光诱导等离子体电信号探测
第19卷第4期原子与分子物理学报Vol.19，(.4 )**)年1*月+,-./0/1234.56275829-+5.:926/+3654;,<0-+02=>.，)**) 文章编号：1***?*@A4（)**)）*4?*@9*?*B 激光诱导等离子体电信号探测* 郑贤锋，凤尔银，马靖，杨锐，季学韩，崔执凤 （安徽师范大学物理系原子与分子物理研究室，安徽芜湖)41**） 摘要：准分子激光烧蚀固体样品产生激光等离子体，用外加直流电场方法收集电子、离子。分析了电流信号 的成因以及信号的时间演化特性。得到了电流信号强度与外加电压、缓冲气压和激光能量之间的关系。 关键词：激光等离子体，外加电场，电信号 中图分类号：2B@9文献标识码：5 1引言 高功率脉冲激光在沉积薄膜（;6:）和材料的微处理方面已经得到广泛的应用［1C4］。当激光能量密度超过固体材料的烧蚀阈值时，激光辐射区的固体材料发生汽化、原子化及离子化，在材料表面上形成激光等离子体羽。激光等离子体中主要存在电子、离子和中性原子。这些粒子之间以及粒子和激光光场具有强烈的相互作用，因而激光烧蚀是一个非常复杂的物理化学过程，其内在机理仍不十分清楚。为了弄清和控制激光烧蚀过程，在激光诱导等离子体声信号、光信号和电信号测量方面已进行了大量工作［B C1*］。这些工作包括烧蚀期间的声波探测、等离子体光谱的光学多道分析。通过这些探测手段，获得了关于激光诱导的声振动和不同原子能级间的量子跃迁的信息。为了得到更多关于电子和带电粒子的信息，电信号的探测是必要的。时间飞行质谱、朗缪尔探针和法拉第圆筒的测量技术已广泛应用于测量带电粒子速度分布和研究电子、离子的产生过程［1*C1)］。这些测量技术直接基于电子、离子和电极的相互作用，而高速粒子和电极的相互作用会诱导二次电子发射，这会影响测量的准确性，而且这些实验都要求在高真空情况下进行，因而不适于研究缓冲气体对激光等离子体时、空演化特性 的影响。在实验中，我们采用外加直流电场方法收集等离子体中电子、离子，通过分析电信号的特点来研究激光等离子体的特性。实验探讨了外加电场、缓冲气压和激光能量等因素对电信号的影响。 )实验装置 实验装置如图1所示。烧蚀光源为6;D E1*BF 准分子激光，工作波长为@*G HI，脉宽为1*HJ。激光束经一直径为B*II、焦距为)**II的透镜聚焦到固体样品表面上。激光束在靶面的光斑直径为*.B II。激光通量可在1C1B1K=I)范围内变化。平行板电极固定于圆柱形不锈钢反应池内，反应池可以抽真空，又可以充入一定气压的缓冲气体，极板间距为)B II，极板面积为4*L4*II)。缓冲气体为氩气、氦气和氮气，气压调节范围为1.@@L1*@C 1.A*L1*B;M。激光脉冲辐射在样品表面上，产生激光等离子体，这时在电极上加适当电压（可调范围：*E G**V:+），电路中出现电信号，再经电流放大器（NOF>PlO Q4)R）放大后，由数字存储示波器（;PFlF S J;9@@B*，带宽为B*9,T）选取信号，最后由绘图仪记录波形。实验样品固着在可转动的平台上，样品尺寸为)*II L1*II L)II，主要元素为9@.)U5l，).G@U9V，*.)1U9H。 *收稿日期：)**)?*4?1B 基金项目：教育部骨干教师项目（WW E R*)E1*@R*E1GAA），安徽省重点学科经费资助项目。 作者简介：郑贤锋（19R*E），男，安徽师范大学原子与分子物理研究室，讲师，主要研究方向为分子光谱和激光等离子体。
激光诱导荧光LIF
LIF测量原理 一、光致发光物理基础 发光可以定义为原子或分子从激发态到较低能态经历的辐射发射过程。如果激发态是通过吸收入射辐射产生的，那么源于这种激发态的发射就称为光致发光。 1. 分子轨道理论 根据分子轨道理论，两个原子轨道结合时既可以形成成键分子轨道（bonding molecular orbit），又可以形成反键分子轨道（anti-bonding molecular orbit）。基态时分子中的电子占据成键轨道，有机分子中原子间电子云以头碰头形式形成的单键分子轨道叫做σ轨道，相应的电子叫σ电子；肩并肩形式形成的分子轨道叫π轨道，相应的电子叫π电子。相应的反键轨道分别用σ*和π*表示。另外还有很多物质还含有非键轨道（non-bonding electron），即未共用电子或孤电子对，用n表示。当吸收一定能量后，一定能级之间的电子可发生下图所示的四种跃迁：σ->σ*、n->σ*、n->π*、π->π*。 σ* 反键轨道 π* 反键轨道 n 非键轨道 π成键轨道 σ成键轨道 分子轨道及电子能级跃迁 2. 单线态和三线态 电子的自旋状态可以用自旋多重度表示，对于基态的原子，对于一个给定轨道中的两个电子，必定具有相反的自旋方向，因此自旋多重度总等于1，称为单线态；当一个电子被激发到能量较高的电子态时，激发态可能是单线态，也可能是三线态。从单线态激发称为三线态的概率是相当低的，较单线态要低若干个数量级，三线态的寿命比单线态长得多。 3 激发光谱和发射光谱 荧光现象属于光致发光，涉用到两种辐射，即激发光（吸收）和发射光，因而也都具有两种特征光谱，即激发光谱和发射光谱。这是荧光定性和定量分析的基本参数及依据。 1）激发光谱 通过测量荧光体的发光通量（即强度）随激发光波长的变化而获得的光谱，称为激发光谱。激发光谱的具体测绘方法，是通过扫描激发单色器，使不同波长的入射光照射激发荧光体，发出的荧光通过固定