空气中激光烧蚀Cu产生等离子体发射光谱的研究

4 scaleb ytherelativeline
intensities 1 Finally,s pacecharacteristicsofelectrontem peratureareobtainednearthetar
get,thestren gth
andFWHM (thefullwidthhalfmaximum ) ofN ( Ⅱ) 500152nms pectrallineareanal ysed1
474
原 子 与 分 子 物 理 学 报
2005 年
这个范围的谱线主要有四条 Cu 原子谱线 :510 155 nm 、515132nm 、521182nm 和 529125nm 。可以清 楚地看到 : ①在 97mJ/ pulse 的高能 (a) 情况下的背 景连续谱比 45mJ/ pulse 低能 ( b) 情况下随空间位 置的变化要剧烈的多 ; ②在低能 (a) 情况下 ,没有 N ( Ⅱ) 的出现 ,而在高能 ( b) 情形中存在着一条明显 被增宽了的 N ( Ⅱ) 谱线 ; ③若扣除背景连续谱 ,高 能 (b) 时的原子特征谱强度要比低能 (a) 时的低 。 可以用环境气体分解效应来解释这种现象 :当激光 烧蚀金属 Cu 靶时 ,若激光能量超过一定阈值后 , 产生环境气体分解效应 ,由于环境气体分解时吸收 了激光能量 ,导致作用到 Cu 靶面的激光能量相对 减少 ,从而 Cu 样品表面被蒸发的样品质量减少 , 原子特征谱强度减弱 。但气体分解效应并不影响 韧致辐射 , 随着激光能量的升高 , 韧致辐射得到 加强 , 导致背景连续谱增强 。因此 ,这说明激光诱 导等离子体的特征辐射在很大程度上受激光能量 和环境气体的影响 。
Abstract: Usin gNd:YAGlaser (withawavelen gthof1064nmanda
pulsewidthof10ns ) ablateco pper
tar getinairtoobservetheemissions
pectraof plasma1 Thes pace2resolveds pectraaremeasuredinthe
第 22 卷第 3 期 2005 年 7 月
原 子 与 分 子 物 理 学 报
JOURNALOFATOMICANDMOLECULARPHYSICS
文章编号 : 100020364 (2005) 0320472206
Vol122 №13 Jul1 2005
空气中激光烧蚀 Cu 产生 等离子体发射光谱的研究Ξ
电子的韧致辐射和电子2离子的复合辐射 , 分立谱 经定标后 ,辨认主要为中性的铜原子谱和一次电离 的铜离子谱 。在这个波长区间内 ,观察到了七条 Cu 原子谱线和五条一次电离 Cu 离子谱线以及一 条被增宽了的 N ( Ⅱ) 谱线 。
2 实验装置
实验装置如图 1 所示 ,由 Nd:YAG 激光器发 出的 1106 μm 、10ns 的脉冲激光经石英透镜以 45° 会聚 在 Cu 靶 上 。靶 材 料 为 高 纯 铜 ( 纯 度 > 9919% ) ,铜靶的直径为 30mm 、厚度为 115mm, 在 一步进电机的驱动下绕轴匀速旋转 。激光重复频 率为 10Hz, 实验是在一个大气压的空气中下进行 的。
图 1 实验装置示意图 Fig11 Experimentalsetu pforlaser 2induced plasmas pectroscopy
3 实验结果和分析
311 等离子体发射光谱分析 在激光功率密度为 97mJ/ pulse 的条件下测量
了波长范围为 440 ～540nm 的 Cu 等离子体发射 光谱 ,如图 2 所示 。等离子体的光谱特征是在连续 谱上迭加着一系列的分立谱线 。连续谱来源于热
Cu( Ⅰ) 521182nm 谱线是在距靶 215mm 处 观测得到的 ,从光谱的空间分辨来看 ,这个位置是 谱线最强的位置 。谱线线形用 Lorentzian 函数拟 合的最好 ,这就意味着可以忽略自吸收 。然而在近 靶面和等离子体羽 - 空气相互作用区 ,观察到的谱 线线形会受到自吸收的影响 。自吸收主要分布在 这两个区域的冷却层 。最初 ,等离子体的膨胀近似 是一维的 ,即沿着靶面的法线方向 ,电子温度梯度 和电子密度梯度最大 。从垂直于靶面的法线方向 观察到的激光诱导等离子体羽为椭圆形 。在强度 最大的位置 ,冷却层是最薄的 。远离这个位置 ,由 于自吸收变得明显 ,冷却层逐渐变厚 。在本文中 , 选择 1～6mm 的空间范围内观察到的光谱作为计 算等离子体参数的光谱数据 。
ΔλD = 01716 ×10 - 6λ0 T/ M
(2)
式中λ0 是谱线的中心波长 , M 是原子量 ,可见ΔλD
与 T 成正比[6 ] 。根据实验结果 ,靶面附近等离子 体的电子温度可达 104 的量级 ,在这个温度下的 Doppler 展宽不超过 10 -2 nm, 与实验中总的谱线 宽度 (约为 1nm 左右) 相比 ,Dopple 效应可以忽 略 ;对于共振加宽 ,由于 Cu ( Ⅰ) 521182nm 谱线与 共振态无关 ,所以不予考虑 。
认识 。但是 ,激光与物质相互作用时产生的等离子 体及其演变涉及一系列复杂的动力学过程 ,同时靶 材料的性质 、所处的背景气体及其压强 、激光波长 和激光能量等各种因素制约着等离子体的形成 。 因此 ,对于激光烧蚀等离子体的研究仍然有着重要 的实际意义 。
Ξ 收稿日期 :2004209202 基金项目 :西北师范大学科技创新工程项目 (No1 NWNU-KJXGC-214 ) 。 作者简介 :苏茂根 (1978- ) ,甘肃靖远人 ,西北师范大学物理与电子工程学院硕士研究生 。主要从事激光光谱学方面的研究 。
图 3 激光功率密度
(a) 45mJ/ pulse (b) 97mJ/ pulse 时的 Cu 等离子体空间分辨谱
Fig13 Space2resolvedemissions pectraofthe plasmas,the
laserener gy (a) 45mJ/ pulse; (b) 97mJ/ pulse
wavelengthof440nmto540nmatthedifferentlaserener
gy1 Underthemodeloflocalthermod
ynamic
equilibrium,theelectronictem peratureofCu plasmaarededucedtobeinthe10
由于等离子体中的辐射原子是处于电子及离 子包围之中 ,则长程库仑相互作用力占主导地位 , 从而引起谱线的 Stark 展宽 。现有的 Stark 展宽理 论主要有两种 :一种是碰撞近似 ,处理快速运动粒 子 (如电子) 对辐射原子所造成的瞬态微扰 ;另一种 是准静态近似 ,处理缓慢运动粒子 (如离子) 所产生 的准静态场对辐射原子的微扰 。对于中性原子和 其一次电离的离子的孤立谱线 ,其谱线加宽主要是 由电子碰撞引起的 ,离子准静态库仑场引起的加宽 只是作为一种修正 。在良好的近似下 ,原子谱线的 半高全宽为[7,8]
在测量谱线线宽时 ,谱线由于离子准静态场以 及其效应引起的修正 ,使线型不对称 。整个线型是 电子碰撞加宽的 Lorentzian 型和发射粒子运动的 Doppler 加宽 、准静态离子场修正等引起的 Gauss 线型的混合[6] 。这给准确分析碰撞加宽带来了困 难 。如果忽略 Doppler 加宽和离子场修正的影响 , 则可以近似地认为辐射原子在周围电子和离子的 扰动作用下而引起的谱线 Stark 加宽主要谱线线 形为 Lorentzian 型 。为了分析谱线展宽 ,我们运用 Lorentizian 函数拟合了观察到的谱线 ,Lorentizian 函数可以表示为 :
TheresearchoflaserinducedCu plasmaemissions pectrainair
SMMao 2gen,CHENnGuan 2yin,ZHANGShu 2dong,XUESi 2min,LILan
(CollegeofPhsicsandElectronicEn gineering,NorthwestNormalUniversit y,Lanzhou730070,P 1R1China)
烧蚀产生的发射光谱由透镜收集 ,经光纤传输 再被一柱面透镜聚焦单色仪的狭缝上 。透镜到探 测区和到光纤头的距离相等 ,即 1:1 成像 。水平调 节光阑的位置 , 可摄取离靶面不同距离的空间分 辨谱 ,探测系统的空间移动精度约为 100 μm 。由 激光器输出的 Q 开关同步脉冲信号同时去触发快 速脉冲发生器和光学多道分析仪 (OMA ) 的控制 系统 。快速脉冲发生器发出高压脉冲使 OMA 的 光电探头选通 315ns 的曝光时间 ,则可获得高分 辨率的等离子体光谱 ,经光电转换后送控制处理系 统在计算机上输出光谱 。
Keywords: Laserablation;Line 2Broadenin g;Electrontem perature
1 引言
近年来 ,由于脉冲激光烧蚀在激光光谱分析 、 激光烧蚀溅射沉积薄膜 、质谱微量分析 、有机纳米 颗粒制备等领域的广泛应用[1～5] ,使得人们对于 高能脉冲激光与物质相互作用 ,等离子体羽的形成 及在真空或背景气体中的膨胀过程有了进一步的
图 4 距靶 2mm 处 Cu( I) 521182nm 谱线 Stark 展宽轮 廓的 Lorentzian 拟合曲线
Fig14 Lorentzianfittin goftheStarkbroadened profilefor Cu( I) 521152nmatd=2mm 1
y
=
y0
+
2A π
苏茂根 ,陈冠英ΞΞ ,张树东 ,薛思敏 ,李 澜
(西北师范大学物理与电子工程学院 ,兰州 730070 )
摘 要 : 利用 Q2开关 Nd:YAG 激光器产生的 1106 μm 、10ns 的脉冲激光聚焦在空气中的 Cu 靶上 ,观测了 激光诱导的 Cu 等离子体发射光谱 。采用不同的激光能量 ,分析了波长范围为 440nm 到 540nm 的空间分 辨发射光谱 。在局部热力学平衡 (LTE ) 条件近似下 ,根据谱线的相对强度 ,得到了等离子体电子温度约在 104 K 以上 ,给出了靶面附近电子温度的空间演化规律 ,并探讨了 N ( Ⅱ) 500152nm 谱线的谱线强度和半高 全宽随激光能量的变化规律 。 关键词 :激光烧蚀 ;谱线展宽 ;电子温度 中图分类号 : O53 文献标识码 :A
ΞΞ 通讯联系人 :陈冠英 ,E2mail:nwnu - sumg@163 1com
第 22 卷第 3 期
苏茂根等 :空气中激光烧蚀 Cu 产生等离子体发射光谱的研究
Байду номын сангаас
374
用发射光谱方法观察和分析等离子体是实时 的 、非破坏性的实验研究方法 。本文采用空间分辨 的手段 , 对激光烧蚀铜靶产生的铜等离子体光谱 进行了观察 ,考察了等离子体的产生和空间演变 , 了解了不同能量状态的等离子体成分在空间的分 布 , 并探讨了可能产生的机制及空气环境中等离 子体发射谱的特性 。
图 2 Cu 等离子体光谱 Fig12 Laser2inducedCu plasmas pectroscopyin
440～540nmran ge
图 3 给出了在空气中 、一个大气压下 ,两种激 光功率密度 (a) 45mJ/ pulse, ( b) 97mJ/ pulse, 波长 范围为 490 ～537nm 等离子体的空间发射光谱 ,
4( x
-
w xc) + w 2
(1)
其中 w 为谱线的半高全宽 , xc 为中心波长 , y0 为背 景发射和 A 为谱线的积分面积 。这些参数可以用 图 4 表示 ,由此用来推导等离子体的电子温度和电 子密度 。
另外 ,我们还考虑了对谱线展宽有贡献的其它 因素 ,Doppler 效应和共振加宽也会引起谱线的加 宽 。以 Cu ( Ⅰ) 521182nm 谱线为例 ,对于 Doppler 效应 ,其半宽度为