激光诱导紫铜等离子体过程中的逆韧制辐射效应

赵小侠，贺俊芳，王红英，杨森林，李院院，张相武

（西安文理学院应用物理研究所，西安710065）

激光诱导紫铜等离子体过程中的逆韧制辐射效应

赵小侠，贺俊芳，王红英，杨森林，李院院，张相武

（西安文理学院应用物理研究所，西安710065）

为了研究激光等离子体相互作用过程中逆韧制辐射效应，用1064nm Nd∶YAG激光器诱导产生紫铜等离子体，建立3条铜原子谱线的Boltzmann图，计算得到紫铜等离子体的电子温度为6902K。通过测量铜原子谱线324.75nm的Stark展宽，计算得到紫铜等离子体的电子密度为3.6×1017cm－3；基于铜等离子体的特征参量，得到紫铜等离子体的逆韧制辐射系数是0.021cm－1。结果表明，该光谱分析方法可以在避免对等离子体产生扰动的情况下，得到等离子体的特征参量。

激光技术；等离子体；发射光谱；电子温度；电子密度

引 言

激光诱导等离子体作为一门交叉学科被广泛应用于环境科学、材料学和深空探测等领域［1］。激光与材料相互作用诱导等离子体的过程包含产生、膨胀和衰减3个阶段，而了解激光等离子体的加热机制是深入研究这3个物理过程的前提。等离子的加热机制与等离子体的特征参量密切相关。因此，准确测量等离子体的特征参量是认识激光等离子体相互作用的关键。

近年来，光谱诊断逐渐发展成一种行之有效的等离子体特征参量测量手段，光谱法的优点是不仅不会对等离子体产生扰动，而且还能得到等离子体参量的时空分辨信息［2］。本实验中利用激光诱导击穿光谱技术研究了紫铜等离子体的特征参量（电子温度和电子密度），进而研究了激光诱导紫铜等离子体的逆韧制辐射（inverse bremsstrahlung，IB）系数。

1 实验装置和紫铜等离子体光谱

图1是实验装置示意图，由光源产生系统、信号探测系统和实验材料紫铜组成。激光器的参量分别是：波长1064nm，脉宽19.7ns，脉冲能量81mJ。五通道光谱仪的参量分别是：探测范围200nm～700nm，光学分辨率0.06nm～0.08nm。实验工作原理是：调Q Nd∶YAG激光器输出的激光聚焦到紫铜表面诱导产生紫铜等离子体，光谱仪AvanSpec-2048FT-5接收紫铜等离子体信号并实时显示。

图2是激光诱导紫铜等离子体辐射光谱，在连续背景辐射上叠加着大量的铜原子发射谱线（CuⅠ229.38nm，CuⅠ222.57nm，CuⅠ324.75nm，CuⅠ329.05nm，CuⅠ402.26nm，CuⅠ229.38nm，CuⅠ427.51nm等）。实验测量表明，背景辐射和原子辐射的衰减速率不同，为了得到较大的信背比，实验中采用的时间延迟是5μs，积分时间是2ms。

Fig.1 Experimental setup

Fig.2 Spectra of laser-induced copper plasma in the range from 200nm to 625nm

2 紫铜等离子体电子温度

等离子体电子温度的测量是激光等离子体诊断中的基本问题［3］，激光与材料相互作用所产生的等离子体可认为处于局部热力学平衡状态（local thermodynamic equilibrium，LTE）。在LTE情况下，可以利用Boltzmann方程进行等离子体温度的测量。根据Boltzmann方程，原子谱线辐射强度为［4］：

式中，λmn是谱线的波长，Imn是谱线的强度，Em是m能级的激发能量，Amn是自发跃迁几率，Te是等离子体电子温度，gm是m能级的统计权重，k是Boltzmann常数，h是Plank常数，c是真空中的光速，N和U分别是粒子数密度和配分函数。

以（1）式中的Em为横坐标，建立Boltzmann图，通过线性拟合，由斜率就可以求出等离子体的温度。为了提高紫铜等离子体温度求解的精度，实验中采用了3条铜原子谱线（CuⅠ229.38nm，453.97nm，578.21nm）建立Boltzmann图（见图3），经过拟合得到紫铜等离子体的温度是6902K。这些谱线的相关参量如表1所示。

Fig.3 Boltzmann plotwith 3 CuⅠemission lines

Table 1 Physical parameters for CuⅠlines

3 紫铜等离子体电子密度

在激光等离子体中，发光原子与等离子中的带电粒子相互作用会使发射谱线展宽，称为Stark展宽，可以从实验测量的Stark展宽计算等离子的电子密度。谱线产生Stark展宽的大小与电子密度的关系如下［5］：

式中，Δλ1／2表示谱线的半峰全宽（full width at half maximum，FWHM），ω表示电子的增宽系数，Ne表示等离子体的电子密度。

铜原子谱线324.75nm的谱线展宽图见图4。Stark展宽基本符合Lorentz线型［6］，利用Lorentz函数拟合铜原子谱线见图中实线所示，拟合的相关系数R2＝0.97，谱线的半峰全宽是0.37nm。利用电子碰撞参量［7］，最终求得的紫铜等离子体的电子密度是3.6×1017cm－3。

Fig.4 Stark-broadened profile of CuⅠat324.75nm

4 逆韧制辐射系数

当激光与物质相互作用的能量积累到一定程度，物质表面就会发生爆炸形成初始等离子体，溅射出来的物质继续与激光脉冲相互作用形成更高电离度等离子体。对于1064nm激光来说，初始等离子体的产生主要通过逆韧制辐射完成，其原理是通过与离子或原子的碰撞，电子获得足够的能量，进一步与原子发生碰撞电离［8］。逆韧制辐射系数为［9-10］：

式中，λ是激光波长。将紫铜等离子体的特征参量代入上式，计算得到紫铜等离子体的逆韧制辐射系数为0.021cm－1。

5 结 论

利用1064nm激光诱导产生紫铜等离子体。利用3条铜原子谱线的Boltzmann图，计算得到紫铜等离子体的温度是6902K。通过测量铜原子谱线324.75nm的Stark展宽，得到紫铜等离子体的电子密度是3.6×1017cm－3。基于等离子体的特征参量，求得紫铜等离子体的逆韧制辐射系数是0.021cm－1。实验结果表明，采用光谱分析方法，可以避免对等离子体的扰动，从而精确得到等离子体的特征参量。

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Inverse brem sstrahlung effect in process of laser-induced copper plasma

ZHAO Xiaoxia，HE Junfang，WANG Hongying，YANG Senlin，LIYuanyuan，ZHANG Xiangwu
（Institution of Applied Physics，Xi’an University of Arts and Science，Xi’an 710065，China）

In order to study inverse bremsstrahlung（IB）effect in process of laser-induced copper plasma，copper plasma was induced by Nd∶YAG laser at 1064nm.The electron temperature 6902K of the copper plasma was calculated with the Boltzmann plotof3 CuⅠlines.Bymeasuring the Stark broadening of CuⅠat324.75nm，its electron density of 3.6×1017cm－3was obtained.Based on these characteristic parameters of copper plasma，the inverse bremsstrahlung coefficient of 0.021cm－1was obtained.Experimental results show that the plasma parameters can be obtained without any disturbance with the spectral analysismethod.

laser technique；plasma；emission spectrum；electron temperature；electron density

O53

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.015

1001-3806（2014）03-0357-03

陕西省教育厅科学研究计划资助项目（2013JK0620；2013JK0640）；西安市科技创新计划创新基金资助项目（CX12189WL02；CX12189WL01）；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2012JQ5006）

赵小侠（1970-），女，博士，副教授，主要从事激光技术的应用研究。

E-mail：zxx_luo＠126.com

2013-07-15；

2013-07-17