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。

郑贤锋等：激光诱导等离子体电信号探测

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。N

2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。

Table1The ion drift time at the different additional volta g es（ion kinetic ener g ies：50eV）

Volta g e（V）0102030405060708090100 Time（µs） 1.33 1.27 1.22 1.17 1.13 1.10 1.07 1.04 1.020.990.97

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第19卷第4期郑贤锋等：激光诱导等离子体电信号探测