離焦量對空氣中YAG激光誘導Cu等離子體空間特性的影響

　　利用Nd: YAG 脈沖激光在空氣中燒蝕Cu 靶，產(chǎn)生激光等離子體羽，通過改變離焦量獲得相應的等離子體的空間譜;用光譜學方法分析了三種離焦量下空間譜線結(jié)構(gòu)和空間等離子體的電子溫度演化規(guī)律;并對等離子體光譜的特性和產(chǎn)生機制進行了討論。結(jié)果表明：離焦量對等離子體的譜線強度、譜線結(jié)構(gòu)、電子溫度的空間特性都有影響，特征譜強度最大值出現(xiàn)在空間位置1.0mm 附近，離焦量為-2mm 時電子溫度最高。

　　自1960 年激光誕生以來，它憑借其獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)⒛芰吭诔�短的時間和特定的空間完成與物質(zhì)的作用，已經(jīng)在氣體、液體、復合材料、金屬和半導體等材料表面和內(nèi)部實現(xiàn)了加工、打孔、光刻、雕刻、表面改性、淬火和打標等形式，為制備各種結(jié)構(gòu)和功能性材料以及在全息模擬、激光武器、激光醫(yī)療、生物工程等方面取得新的進展，引起了研究人員的高度關(guān)注和研究興趣。激光作用到物質(zhì)表面容易形成高密度等離子體，其形成機制比較復雜，涉及很多動力學過程，直接觀測相對困難，而用發(fā)射光譜法就可以避免探測的困難，這種方法具有分析時間短、靈敏度高、處理簡單、可遠程測量等優(yōu)點，而且對分析樣品具有極小的損壞性，又可以用來探測等離子體內(nèi)部的特征信息，已經(jīng)在真空鍍膜、元素的痕量微區(qū)分析、醫(yī)療衛(wèi)生、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、文物保護等各個領域得到成功應用。激光等離子體的光譜特性又與各種測量有關(guān)，比如激光的波長、功率、脈寬、能量閾值、靶材、聚焦位置、環(huán)境氣體、真空度等，而實驗環(huán)境一般在大氣中完成，所以分析在大氣中通過改變離焦量研究激光等離子體的特性具有實際意義。本文采用1064 nm的YAG 脈沖激光,通過變換激光離焦量，用光譜學方法研究在空氣中激光誘導銅靶所產(chǎn)生的相應空間等離子體的特性，并從光譜學診斷的角度對等離子體特性做了進一步的研究分析。

1、實驗裝置

圖1 實驗裝置示意

　　實驗裝置如圖1 所示,實驗儀器是由美國光譜物理公司生產(chǎn)的，脈寬為10 ns、中心波長為1064 nm 的Nd：YAG 激光器，激光脈沖由可微調(diào)的石英透鏡會聚在經(jīng)常規(guī)處理的直徑為30 mm，厚度為1.5 mm Cu 靶(材料純度大于99.9%)，在空氣中激光誘導產(chǎn)生的等離子體羽透過焦距為15 mm 透鏡等大成像在與透鏡平行放置的單色儀的入射狹縫面上，透鏡距被探測的等離子體羽位置和狹縫位置相同。為了避免激光作用于一個位置形成燒蝕坑對光譜的影響，特意把Cu 靶置于由絕緣材料制作的襯架上，襯架在步進電機的驅(qū)動下繞軸勻速旋轉(zhuǎn)，從采集的光譜信號的變化分析，靶面的抖動可以忽略。實驗選用600/mm 的光柵，水平調(diào)節(jié)狹縫的位置，沿垂直等離子體的方向采集光譜信號，采集距靶面不同距離處等離子體羽的空間分辨譜，入射光線經(jīng)光柵色散，再由光學多道探頭(由1024 個光電二極管陣列組成)接收光信號，信息再經(jīng)探頭送到OMA 光學多道分析儀，光信號由光電轉(zhuǎn)換后送至控制處理系統(tǒng)，最后在計算機可以輸出光譜信息。

2、實驗結(jié)果和討論

　　2.1、等離子體發(fā)射譜

　　我們測量了300 nm~600 nm 范圍內(nèi)激光燒蝕銅產(chǎn)生的等離子體特征譜線，如圖2 所示，可以看出，450 nm~550 nm 范圍內(nèi)銅等離子體特征譜線比較明顯，而且有明顯的NII 特征譜線出現(xiàn)在圖譜中，這說明空氣對激光誘導銅等離子體的影響不容忽略。為了查看空氣對激光誘導銅等離子體的影響，本實驗嘗試通過改變離焦量的方式研究激光誘導等離子體的光譜線的變化，觀測其光譜特性。在大氣環(huán)境下實驗中采用400 mJ/pulse 的激光作用于銅靶，選取460 nm~530 nm 可見光波段范圍，從光譜學角度通過改變離焦量的情況下分析激光誘導銅等離子體所受的影響，如圖3 所示。等離子體光譜主要由連續(xù)譜和特征譜組成，其主要的特征譜線有465.11 nm 和譜線強度相對較強的510.55 nm、515.32 nm、521.82 nm、529.25 nm的銅原子譜線以及以500.52 nm 為代表的N 離子譜線，這些譜線是原子與離子的躍遷產(chǎn)生的。較強的連續(xù)譜是由電子與原子和離子的劇烈碰撞及自由電子與離子的復合輻射產(chǎn)生。

圖2 在空氣中300nm~600nm 激光誘導的Cu 等離子體特征譜線圖

圖3 Cu 等離子體光譜

　　2.2、等離子體空間分辨譜

圖4 不同離焦量下激光誘導Cu 等離子體空間光譜圖

　　2.3、等離子體電子溫度空間分布

　　利用多譜線法由圖4 中的光譜信息，計算出相應的電子溫度，得到離焦量分別為1 mm、0 mm、-2 mm 時空間電子溫度分布圖，如圖5 所示。從圖中可以看出隨著離焦量的減小，相同空間位置處電子溫度反而增加，隨著空間位置的增大，相同離焦量等離子體的電子溫度基本上是逐漸減小，只有離焦量為1 mm 時電子溫度在1.0 mm 處電子溫度最低，此處亦是激光聚的位置。在空間位置為1.75 mm 附近電子溫度數(shù)值基本相同。激光傳播的過程也是能量的傳遞過程，從幾何關(guān)系很容易推測激光聚焦的位置也是能量密度最大的位置，相應的電子溫度應該是最高，但是實驗結(jié)果卻是離焦量為-2 mm 時電子溫度最高。激光聚焦于靶面時，能量分布不均勻，激光作用于靶面有一段離焦量的時候，激光能量功率分布與聚焦于靶面相比相對均勻，離焦量大于零電子溫度相對較低，小于零時，電子溫度相對較高。

圖5 離焦量分別為a=-2mm、b=0mm、c=1mm 時電子溫度的空間演化

3、結(jié)論

　　利用YAG 脈沖激光在空氣中燒蝕金屬Cu靶誘導等離子體，通過改變離焦量，用光譜學方法分析了等離子體光譜空間特性。實驗結(jié)果表明：空氣中激光誘導銅等離子體光譜的特征譜線主要由氮離子線、銅原子線組成;有離焦量的時候，激光能量功率相對于聚焦于靶面時分布相對均勻，離焦量為1 mm 時電子溫度較低;離焦量為-2 mm 時CuⅠ相對強度較強，電子溫度最高;離焦量為零時，相對強度較弱。這些實驗結(jié)果對于激光加工工藝和真空鍍膜有一定的啟示作用。