激光等离子体物理解答

激光等离子体物理与检测技术
复习思考题
1.金属、非金属和半导体材料各自对激光吸收有何特点？答：金属中存在大量的自由电子，该自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波，这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波。

其中的透射波部分又在很薄的金属表层被吸收，因而激光在金属表面有较高的反射比。

特别对光子能量较低的红外光而言，光频电磁波只能对金属中的自由电子作用。

对光子能量较高的可见光或紫外光而言，由于金属中的束缚电子的固有频率常处于可见光或紫外光频段，因而还能对金属中的束缚电子作用。

束缚电子的作用将使金属的反射能力降低、透射能力加强，并增强了金属对激光的吸收，使之呈现出某种非金属的光学性质。

由于金属中自由电子的密度较大，因而透射光波在金属表面的附近很薄的表层内被吸收。

金属对激光的吸收与波长、材料特性、温度、表面情况和激光的偏振特性等诸多因素均有关。

在近红外区金属的反射比较大；金属材料在室温时的吸收比很小，当温度升高到接近熔点时，吸收比达到40%-50%，当温度接近沸点时，吸收比高达90%。

金属表面状况对可见光的吸收比影响很小，但是，金属表面的粗糙度对吸收比有显著的影响，粗糙表面与抛光镜面相比，吸收比可提高一倍。

表面涂层的作用就是加强金属表面对激光的吸收。

非金属与金属不同，它对激光的反射比较低，吸收比较高，而且非金属的结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。

许多半导体材料对可见光不透明，但对和红外光相对透明，大
部分带Si-O 结合键的材料对可见光相对透明，而对10m μ波段的光则强烈吸收。

绝缘体和大部分半导体与金属相比对光的吸收系数较小，对应的穿透深度较大。

2.试述Knudsen 层的定义。

答：从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦克斯韦速率分布，而且这些气化粒子的速度方向均是离开靶表面方向。

这种各向异性的速率分布时通过蒸汽粒子相互碰撞形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平均自由程内进行，这一区域称为Knudsen 层。

3.试述铝蒸汽电离的几种过程。

答：（1）电子碰撞并激发中性Al 原子
3.142Al e eV Al e +++⇔+
（2）基态Al 原子直接吸收激光能量电离成Al+，即
6.02Al e eV Al e +++⇔+
（3）激发态Al 原子与电子相互作用产生电离
2.862Al e eV Al e ++++⇔+
（4）激发态Al+的辐射湮灭
Al Al h ν+⇔+
（5）共振光子的再吸收引起光致再结合和光致电离
Al e Al h ν++⇔+
（6）电子的碰撞驰豫过程
（7）通过原子和例子的相互碰撞引起的激发、电离和再结合等
*3.14Al Al eV Al Al ++⇔+
*6Al Al eV Al Al e ++⇔++
* 2.86Al Al eV Al Al e +++⇔++
*3.14Al Al eV Al Al ++++⇔+
6.0Al Al eV Al Al e +++++⇔++
* 2.86Al Al eV Al Al e +++++⇔++
4.Saha 方程组研究的对象是什么？给出其适用范围？ 答：Saha 方程主要研究离子和电子的浓度对气体温度和密度的影
响程度。

Saha 方程只适用于热力学平衡的电离气体。

5.试给出描述激光等离子体发展的物理模型，并讨论该模型的缺陷。

答：激光等离子体发展的物理模型：
1）蒸气等离子体向真空膨胀视为一维膨胀
2）忽略散射和热传导，考虑靶表面蒸气的热辐射
3）考虑靶表面的反射效应
4）认为蒸气等离子体处于局部热力学平衡
6.等离子体点燃时间与作用激光波形相关吗？为什么？ 答：等离子体产生过程就是靶表面吸收激光能量，使靶表面温度升高，当靶表面温度超过靶材气化温度时，靶表面发生气化现象，在这之后，靶表面和喷射物质继续吸收激光能量，导致喷射物质进一步电离，最后形成等离子体。

袁钢等人归纳了国外的大量实验数据，提出了激光等离子体点燃的经验判据是：
[][]20.50.36223/()//(0.95~1.5)10P W cm t s m λμ-⎡⎤⋅>⨯⎣⎦
由此判据可见，等离子体点燃过程只与激光本身因素（光强、波长、脉冲宽度）有关。

由
2'1201/21/202112
1()()12D
t L R O E c P P t dt kn M M M M ρ=++⎰，可以计算等离子体点燃时间t 的大小。

能够看出他的大小与靶材的特征参数有关，同时还与激光脉冲的波形结构由密切关系。

7.试述激光等离子体对入射激光屏蔽机理，并给出如何减小屏蔽的措施。

答：激光作用于靶表面，引发蒸气，蒸气继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面上产生高温高密度的等离子体。

这种等离子体迅速向外膨胀，在膨胀过程中等离子体继续吸收入射激光，无形之中等离子体阻止了激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合，这种效应叫做等离子体屏蔽效应。

等离子体吸收大部分入射激光，不仅减弱了激光对靶面的热耦合，同时也减弱了激光对靶的冲量耦合。

8.在利用光学干涉方法测试与激光等离子体有关参数时，对干涉条纹偏移影响最大的物理量是什么？为什么？
答：干涉条纹飘移量可表示为：2()R x x δλ=
⎰
对其影响最大的时参考光的波长 9.试讨论光学阴影法、光学干涉法和光束偏转法在测试激光与物质相互作用物理参量测试的优缺点。

答：阴影法可利用光波通过等离子体后波形的变化来研究等离子体的性质其理论根据时等离子体将对入射光波的相位产生影响，可以测量出等离子体的形状尺寸以及膨胀速度等，具有直观明了的优点，但是它不能告诉我们有关等离子体其它物理量的定量结果
干涉法时定量测量等离子体参数的主要方法，其测量方法简单，主要是通过测量等离子体折射率变化和等离子体吸收情况而反映等离子体其它性质，该方法对激光光源的相干性要求不高。

而且利用马赫-曾德尔干涉仪来诊断等离子体的方法调节方便，方法成熟
光束偏转法
10.如何区分LSAW 、LSCW 和LSDW 。

答：在高功率激光与靶相互作用过程中，等离子体吸收了大量激光能量之后，以一定速度离开靶表面向着激光器方向传播，这种等离子体的迅速膨胀好似波的传播，这称为激光支持的吸收波（LSAW ）。

根据LSAW 的传播速度与音速之比的大小，可以对LSAW 进行分类，若其比值大于1，即为激光支持爆轰波（LSDW ），若其比值小于1，即为激光支持燃烧波（LSCW ）。

一般来说产生LSDW 的激光阈值比LSCW 要大，激光支持吸收波的阈值强度是用激光功率密度来表示的，大量实验研究和理论分析结果表明，对波长 1.06m μ和10.6m μ的激光产生的爆轰波的阈值大约是89210~10/W cm 和7210/W cm 数量级，在这个阈值以下就是激光支持的燃烧波。

11.试述LSDW 产生机制与基本结构。

答：产生机制：
当激光强度足够强，在激光和靶材相互作用区周围的空气可以充分地吸收激光辐射，电离产生的等离子体以超神速离开罢免向激光方向传播，其等离子体膨胀波前就称为激光支持的爆轰波（LSDW）。

在1964年，S.A.Ramsden等人就利用调Q的红宝石激光器观察到激光束焦点处的火化现象，他们认为在焦点区域空气介质吸收了60%以上的激光能量，足以完成电离焦点区域的空气，击穿形成火花。

火花逆着激光方向膨胀速度打10 7cm/s，当击穿后冲击波传播到未扰动气体中，在迎着及光速的方向进一步吸收激光能量，形成爆轰波。

从根本上说，LSDW的产生机制是激光诱导靶表面产生等离子体的结果，是靶表面高温高密度等离子体的扩张结果。

基本结构：
迎着激光方向的等离子体膨胀波前就是LSDW波前，等离子体侧面膨胀为爆炸波波面，在等离子体内部存在稀疏波。

12.如何计算激光与材料相互作用时喷射物质的反冲冲量？
答：因为喷射物质粒子的速率呈Maxwell分布，所以可哟给一个特征速率来表征其喷溅。

蒸气粒子的平均速率乐意表征喷射物质的宏观行为，即
v==
M为喷射物质的摩尔质量。

若把喷射式中，T为蒸气的温度，
mol
物质的喷溅速度取作声速，即s c ==压力为0.47l s p p ≈。

假设一束能量为p E 的脉冲激光作用靶表面时，
有m ∆的靶物质喷出，其质量迁移率'm v 的定义即为单位能量的激光
束所能带出喷射物质的质量。

当喷射物质向外喷出时，由冲量定理可知，靶表面同时也获得反冲冲量使靶后退。

设单位面积上的反冲冲量为1I I ，其大小为mv ∆，即
'1I m p I mv v E v =∆= 因为喷射物质的迅速喷出，造成对靶表面平均的反冲压力I p 为
I m p v t
∆=
∆ 瞬时反冲压力为 'I dm p v dt
= 这里dm dt 表示质量变化率（单位时间有多少质量的靶物质被汽化而喷出）
m q v v ρ=
式中，ρ表示靶物质密度，q v 表示靶表面气化速度，则
(m s v p T =这里()s p T 表示蒸气压强，结合以上各式，从而有
(I s p p T =
所以0.64()I s p p T ≈，喷射物质的反冲引起的对靶表面的压力实际上是上式对靶表面的求和，而最后靶获得的反冲冲量可近似表示为
20.64()I s p p dxdydt p T w t π≈⎰⎰⎰
式中，w 为激光光斑半径，p t 为激光脉冲宽度。

13.在激光与材料相互作用过程中光压、喷射物质的反冲
和LSDW 对靶面的压力三者中占主要地位的是那种？为什么？
答：在激光一材料相互作用过程中，因为喷溅出的靶质量非常小，故由它造成的反冲冲量并不重要，但是当喷射物继续吸收激光能量，温度继续升高，形成高密度高温高压等离子体时，靶材获得的冲量和压力情况就大不一样。

LSDW 对靶面的压力和靶冲量形成直接和激光与靶材相互作用的气体动力学过程有关。

14.试给出提高激光加工效率的思路。

答：激光辐射与被加工物体相匹配的效率取决于物体的表面状态及其物理性质。

当激光器发射的是红外光的时候，物体表面将具有特别大的反射率，以致只有一部分入射光被吸收并转换成热。

因此，像铜、铝和银之类的金属很难用红外激光器加工，而通常正是红外激光器才是具有足够大的功率可以进行加工的适宜激光器。

金属表面若存在一薄层氧化物，碳化物或其他物质，就能改善激光入射光线对金属的匹配程度。

这种非金属的薄层将会强烈地吸收激光辐射并将其转换成热量传送给内部被覆盖的金属，从而提高激光加工的总效率。

通常在激光加工以前，给金属表面涂
上一层吸收能量的物质。

这种涂层可以是石墨粉，云母，黑漆或其他物质。

但这样做很费时间，而且加工的最终效率取决于喷涂工艺的质量。

15.试从能量转换角度描述高功率激光与材料相互作用全过程。

答：当激光作用于材料表面，其表面就会吸收和反射激光，有一部分能量在反射光中，材料表面吸收入射的激光能量，转化为内能，使其表面温度升高。

其自身温度迅速上升至气化温度，从而出现气化，气化后的物质蒸气继续吸收激光能量，温度进一步升高，形成等离子体。

材料表面附近气体会同时吸收部分能量。

激光与材料相互作用还会产生激光支持的燃烧波和激光支持的爆轰波，则一部分能量转化为动能。

在激光和靶蒸气的相互作用过程中，蒸气的电离度变高，且吸收部分或者全部的入射激光，这些能量除用于热辐射和蒸气的动力学运动之外的部分转化为等离子体的内能。