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。