激光诱导铝等离子体中原子和离子组分膨胀特性∗

林芷伊 简俊涛 王小华 杭纬

(厦门大学化学化工学院化学系,谱学分析与仪器教育部重点实验室,厦门 361005)

1 引 言

近年来,随着激光器的不断发展,激光诱导等离子体(laserinduced plasma,LIP)技术已发展成为一个重要的等离子体分析方法,引起科研人员极大的兴趣,被广泛运用于材料和环境等领域的元素鉴定[1−3].LIP的发光图像能够很好地呈现等离子体在宏观时空的演化过程,而成像技术的关键在于瞬时俘获高时间分辨的等离子体行为,且在低曝光时间的收集条件下,具备感知低光子的能力.在众多的成像方法中,除了条纹相机成像外[4],增强型电荷耦合器件(intensified charge coupled device,ICCD)快速照相是目前应用较多的LIP可见光照相技术[5,6].

LIP作为一种光谱发射源,存在着瞬态行为[7],等离子体的时间演化规律与其形态及空间不均匀性相关[8],因此深入理解等离子体动力学和膨胀动力学,对于优化等离子体作为光谱发射源的使用至关重要.

激光与物质相互作用涉及复杂的物理过程,不仅取决于激光参数(如能量、脉宽、波长等),还与气体氛围以及样品性质有关,目前已有众多学者对LIP的时空演化特性进行了研究.Bogaerts等[9]对等离子体与环境气体的相互作用所进行的模拟结果显示,在高压环境气体中羽流膨胀受到限制,速度较慢.与真空膨胀相比,在大气压下的膨胀速度降低了一个数量级[10,11].因此多数研究都在超高真空环境下进行,避免了等离子体与环境相互作用的复杂性.如郑培超等[12]在高真空下拍摄了铝合金等离子体的时间演化过程,通过玻尔兹曼斜线法和Stark展宽法计算了铝合金等离子体电子温度和电子数密度的时间演化规律;而文献[13—16]对等离子发射光谱的特征等进行研究,获得了沿目标法线方向的一维信息.这些研究虽然提供了等离子羽流动力学的相关理论,但不能准确描述环境气体存在下的等离子羽膨胀规律,且仅在一维方向进行分析.亦有学者采用不同光谱手段对等离子体光谱进行二维(two-dimensional,2D)分析,但大多报道的是整合光谱的2D图像[17,18],光谱分辨的2D分析很少.

本文提出一种新的分析方法,结合光谱与emICCD实现光谱分辨的快速照相探测,以获得等离子中不同组分的光谱2D图像,诊断铝等离子体中原子与离子的时空演化过程.同时改变背景气压值,探究背景气体对其演化特性的影响.这是一种替代窄带滤光片的有效分析方法.

2 实验装置

实验使用配有emICCD检测器(型号PM4-512-EM-RB-FG-18-P43,Princeton Instrument)的C-T型三光栅单色仪(焦距300 mm,型号ARC-SP-2356,Princeton Instrument)来对等离子体时序采集,使用光栅300 g·mm−1(分辨率为0.66 nm)进行光谱分析,得到等离子体中激发态粒子发射谱线信息;使用光栅2400 g·mm−1(分辨率0.08 nm)替代窄带滤光片进行等离子体羽流成像诊断实验,实验装置如图1所示.采用Nd:YAG激光器(型号NL303G,EKSPLA),输出二倍频波长532 nm的激光,脉宽约5 ns,频率10 Hz,通过衰减器调节后能量范围为2—50 mJ.激光束由焦距为6 cm的平凸透镜聚焦到纯铝金属样品(99.99%,New Metal Materials Technology,China)表面,形成光斑直径约150µm.环境气体为氦气,样品室气压可调.样品放置在2D样品台并以800µm步距进行移动,移动频率为1 Hz,每个作用点打击10次,避免弹坑效应的影响.利用Q开关信号同步触发emICCD探测器与激光脉冲同步输出.以激光与样品作用的时刻设为触发零点,不同能量下的图像采集所设置的延时和门宽都与其对应.装置可整体移动,保证样品处在emICCD的拍摄范围内.

图1 2D光谱与时间分辨的实验装置Fig.1.Experimental setup for the 2D spectra and time-resolved emission study.

3 结果与分析

纳秒激光脉冲作用下产生铝等离子体的能量密度阈值(Fth)可通过公式进行计算[6],其中ρ为材料的密度(2.7 g·cm−3);Ω为汽化潜热(1.085×104J·g−1);τP为激光脉冲持续时间(5×10−9s);D为热扩散系数(0.9628 cm2·s−1),其表达式为D=k/ρCP,k为热导率,CP为比热.通过上式计算可得到Al的剥蚀阈值约为2.40 J·cm−2.

实验获得了铝等离子体在300—520 nm波长内的发射光谱,查找美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)数据库并归属标注对应发射谱线[19],结果如图2所示.可以得出在能量密度小于4 J·cm−2的条件下,等离子羽以中性粒子为主,电离度较低.随着能量密度的升高,样品吸收更高能量,温度升高,等离子体中性粒子以及离子数目增多,信号强度增强.选择其中396.1 nm的Al I原子谱线、466.3 nm的Al II一价离子谱线以及447.9 nm的Al III二价离子谱线作为研究对象进行LIP膨胀特性诊断.

图2 在距离样品表面0.65 mm处,激光作用后延迟50 ns,探测门宽200 ns下记录的等离子体发射光谱图(气压为2.8 Pa)Fig.2.Spectra of optical emission from the plasma recorded at a delay of 50 ns with a gate of 200 ns and at a distance of 0.65 mm from the sample surface(Background pressure was 2.8 Pa).

3.1 不同激光能量密度下原子和离子膨胀特性

实验中通过调节光栅设置光谱仪的中心波长,将单色仪的高分辨光栅作为一种替代窄带滤光片的方式来采集不同价态谱线的光谱诊断图像.在窄狭缝宽度下,可利用推扫形式进行拼接得到2D图像.使用高分辨光栅,在使用的入射狭缝宽度下,所选择的分析线与邻近发射线的狭缝窄带图像不发生重叠,另外在视频显微镜头前配合使用辅助物镜来缩小图像,从而在狭缝窄带范围内完整收集羽流图像,相当于简化了推扫过程,实现了快速诊断光谱分辨的膨胀羽流特性.图3展示了原子Al I和离子Al II,Al III分析线在100—500 ns,60—140 ns,60—100 ns的延迟时间之内的演化过程,显示Al I,Al II,Al III在激光能量密度为12.5,14.2,20.8,31.4 J·cm−2时的演变,延迟时间(delay time,DL)标记在图像顶部,图像左端为样品表面.以推进位置的变化对延迟时间做图,可以从图像斜率来估算各组分羽流沿样品法线方向的平均速度.计算得到的结果为:Al III(447.9 nm)离子具有较高的离子平均速度(约为3×104m·s−1),Al II(466.3 nm)离子平均速度约为1.8×104m·s−1,而原子组分具有相对较小的平均速度(约0.7×104—1×104m·s−1).

对比图3中延迟100 ns时原子和离子的2D图像,从图3(b)和图3(c)可以看到离子相对于原子分布(图3(a))在等离子体羽流前端,另外可以明显观察到离子组分倾向于沿样品法线方向发射,相对于原子组分具有较小的角度分布.这种空间分离被认为是由LIP羽流扩展的早期出现的双极扩散机理所致[20,21],加速过程导致离子具有较快的速度,且离子所带电荷越大,速度越快[22].在该能量变化范围内离子的平均速度与激光脉冲能量没有明显的联系,而可观察到中性原子随着能量密度的增大速度明显增加.中性粒子平均速度的增加可以解释为羽流膨胀过程中原子与高能电离组分发生部分复合.从图3还可以观察到离子组分羽流的后部与原子组分羽流的前端部分重叠.分别根据第一张延迟时间得到的图像强度来对不同延迟时间的图像进行归一化,可以看到随着膨胀过程的进行,各组分羽流沿样品法线方向推进且发射强度都在逐渐降低,对应的羽流密度和温度也降低.这与唐晓闩等[23]的实验结论相符合.此外,采集激光能量密度为14.2 J·cm−2,延迟为150 ns的三种研究粒子的LIP时间积分图像,积分时间500 ns,绘制发射强度的空间分布图并归一化(见图4),由此可得:中性原子在等离子体羽流发射中占主导地位,其发射强度相对离子组分较高.需要指出的是,此方法是基于等离子体中某一激发粒子的单一发射线进行分析,可揭示所探测的组分粒子分布演化的普遍规律,用于快速直观地展示等离子羽中不同粒子组分的演化过程.

3.2 不同气压下原子和离子膨胀特性

本节研究改变背景气压值,探究背景气体对等离子体演化的影响.选取激光能量密度为20.8 J·cm−2,气压范围为0.1—104Pa,得出LIP中各研究组分的延迟演化图像(见图5).由图5可知,等离子体在低气压(0.1 Pa)下可以自由膨胀,此时背景气体对它的影响较小.当气压大于1 Pa时,等离子体与环境气体发生相互渗透,对应于图5膨胀前端出现的晕影,产生扰动.随着气压进一步升高,膨胀特性开始发生明显变化,从气压为10 Pa开始,发光强度集中在前段界面处,等离子体与背景气体发生碰撞,碰撞过程持续进行并逐渐形成堆积.由于背景气体密度比等离子体要小,产生冲击波[24]并向背景气体方向传播,前沿呈现弦月状.从图5可以看到随着气压增大,各组分均受到背景气体的束缚而减速.从图5(a)可以看到在1000 ns延迟下,10 Pa气压下的原子羽流弦月状前沿距离样品表面约16.5 mm,而在104Pa气压下前沿压缩至7.5 mm左右,另外,以延迟100 ns下的2D图像最大强度值降低e−1来比较等离子体的寿命,图5(a)中0.1 Pa气压下其约为0.5µs,100 Pa气压下约为1.48µs,而104Pa气压下远大于2µs.可以看出等离子体的寿命随着气压的升高而延长.这是因为环境气压的升高导致等离子羽收缩、与背景气体的碰撞概率增加,使得等离子体中的激发态粒子增加,羽流发射强度加强[25].

图3 铝等离子体羽流在不同激光能量密度下演变的2D演化图像 (a)Al I;(b)Al II;(c)Al IIIFig.3.2D evolution images of Al plasma plume in different laser energy density.Images show evolution of the different components:(a)Al I;(b)Al II;(c)Al III.

图4 在激光能量密度为14.2 J·cm−2,延迟为150 ns时LIP时间积分图像与归一化后三种成分的典型发射线沿着表面法向发射强度的分布Fig.4.LIP’s time integral images and the emission intensity distribution images of the three components’typical emission lines along the normal of the surface after normalization at laser energy density of 14.2 J·cm−2and delay time of 150 ns.

图5 0.1—104Pa压力下,激光能量密度为20.8 J·cm−2时铝等离子体羽流中激发粒子的emICCD图像 (a)Al I(396.1 nm);(b)Al II(466.3 nm);(c)Al III(447.9 nm)Fig.5.emICCD images of excited species from the expanding aluminum plasma plume at 50 mJ incident laser energy under pressure range of 0.1—104Pa:(a)Al I(396.1 nm);(b)Al II(466.3 nm);(c)Al III(447.9 nm).

4 结 论

本文以纳秒激光诱导铝等离子体为研究对象,结合光谱分辨诊断,利用高时间分辨的emICCD技术俘获等离子体快速瞬态的特性,实现了等离子体中各组分羽流膨胀特性时空诊断.等离子体真空膨胀速度约为104m·s−1量级,离子平均速度高于原子粒子平均速度,价态越高速度越大,可解释为在激光作用初期,热电子获得能量后以超越等离子体组分粒子的速度逃逸至羽流前端,形成静电势垒对带电粒子产生加速作用,价态越高,库仑作用越明显,而较大的速度也导致离子倾向于沿样品法线方向发射,分布更窄.另外在气体环境下,等离子体膨胀受背景气体的影响,发生碰撞能量传递,产生冲击波,热化缓速,羽流压缩等过程.