飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性_闫明亮.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性闫明亮，张辰龙，赵连祥，赵华鹤，高勋陆军装甲兵学院士官学校，吉林 长春 长春理工大学物理学院，吉林 长春 陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻沈阳地区第二军事代表室，辽宁 沈阳 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 摘要由于飞秒激光脉冲宽度小于靶材电子晶格热弛豫时间，飞秒激光烧蚀靶材过程以及诱导击穿产生的等离子体膨胀动力学过程与纳秒激光作用过程不同，因此研究飞秒激光诱导等离子体发射光谱特性对于研究飞秒激光烧蚀机制以及飞秒激光诱导等离子体的膨胀动力学过程非常重要。材料是一种常用的中远红外探测器以及光学元器件材料，对中心波长为 ，脉宽为 的激光脉冲烧蚀空气中 靶材产生的等离子体发射光谱强度的时间和空间演化规律研究，并探讨了飞秒激光脉冲能量对等离子体发射光谱强度的影响规律。实验结果表明在等离子体羽膨胀初期，飞秒激光诱导 等离子体发射光谱主要由线状光谱和连续光谱构成，在 时间内连续光谱强度逐渐减弱，线状光谱开始占主导地位。通过探测 等离子体的时间分辨发射光谱，随着等离子体的快速膨胀，等离子体发射光谱强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化，在 达到最大。通过探测 等离子体的空间分辨发射光谱，随着距离 靶材表面的位置增加，等离子体发射光谱强度随远离 靶材表面距离增加呈现先增加后下降变化，在 位置达到最大。由于存在等离子体自吸收机制，等离子体发射光谱强度随着脉冲能量的增加而增加，在脉冲能量为 时，飞秒激光诱导 等离子体存在自吸收现象，从而使等离子体发射光谱强度出现下降变化。关键词飞秒激光；锗等离子体；光谱特性；自吸收现象中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），吉林省科技厅项目（）资助作者简介：闫明亮，年生，陆军装甲兵学院士官学校教师 ：通讯作者 ：引言随着激光技术的快速发展，激光武器已逐渐成为光电探测器的光电对抗方式。激光武器对光电探测器硬损伤的主要机制为高功率脉冲激光烧蚀探测器表面，产生质量迁移，使探测器表面产生形貌变化，从而使探测器产生硬损伤。在激光烧蚀过程中诱导靶材产生等离子体，膨胀过程中等离子体与周围约束空气相互作用，导致等离子体膨胀随着时间增加快速膨胀，且向外产生等离子体辐射。飞秒激光脉冲峰值功率高，与材料作用时间小于电子晶格耦合时间，则飞秒激光烧蚀靶材表面的热影响区域小于纳秒激光脉冲烧蚀情况，目前，飞秒激光逐渐成为激光武器的主要光源。是一种高载流子迁移率的半导体材料，透射光谱范围为，具有硬度高，导热性好，不溶于水等特点，是一种常用于红外夜成像和 激光聚焦透镜等领域的红外光学材料。飞秒激光烧蚀 靶材物理过程的研究对于飞秒激光对抗 探测器的损伤机理非常重要，而等离子体发射光谱 特 性 的 研 究 对 于激光烧蚀机制的揭示有重 要 意义，因此本文开展飞秒激光烧蚀 靶材的等离子体发射光谱特性，获得 等离子体发射光谱强度的时间和空间演化过程，以及随激光脉冲能量的变化规律。实验部分飞秒激光烧蚀锗等离子体光谱特性实验装置如图所示。激光 光 源 为 中 心 波长为 、脉宽 、重 频为 、光束直径为 的一体式箱体飞秒激光放大器（美国 公司，型号为 ），最大脉冲能量输出为 。飞秒激光光束经由半波片和格兰棱镜组成的能量衰减系统后，经高反镜 反射后由焦距为 的熔石英透镜 聚焦到单面抛光的 靶（）表面，光斑直径为 。飞秒激光诱导产生的 等离子体发射光谱，由焦距为 的熔石英透镜 耦合进入配有 探测器的光栅光谱仪（美国 公司，型号为 ）采集输出，光谱分辨率为 ，实验中探测的激光等离子体发射光谱范围为 。探测器由飞秒激光放大器的泵浦激光器的开关同步触发，且 探测器的 门的开启时间和光谱采样时间由光谱采集软件设定，飞秒激光脉冲烧蚀靶材的结束时间设为时间零点，采集的不同时刻的烧蚀 等离子体发射光谱由 的 门的取样延时决定。实验中，相机的采集门宽为 。由三维平移台（日本 生产，型号 ）控制运动 靶，使每个激光脉冲烧蚀位置不重合。等离子体发射光谱收集耦合的光纤探头平行激光入射方向移动，获得空间分辨的 等离子体发射光谱。实验过程中气体压强为一个大气压，环境温度为，相对湿度为。图飞秒激光烧蚀 等离子体发射光谱实验装置图 结果与讨论 等离子体发射光谱实验中飞秒激光脉冲能量为 ，真空腔室内空气压强为一个标准大气压，延时为 时的飞秒激光烧蚀 的等离子体发射光谱如图所示。等离子体光谱由连续光谱和线状光谱组成，连续光谱来源于韧致辐射、原子离子间的复合辐射和等离子体的热连续辐射，线状光谱来源于 原子内的电子轨道间的能级跃迁。对比美国 光谱数据库，在实验测量 光谱范围内飞秒激光诱导 等离 子 体 发 射 光 谱 中 有 、和 共条 原子谱线存在。等离子体发射光谱强度的时间演化飞秒激光烧蚀 靶材后，电离击穿形成等离子体，随着时间的增加，等离子羽体向外快速膨胀，羽体体积逐渐增大。在周围空气的约束作用下，高温等离子体的能量传递给周围约束空气，造成等离子体电子温度下降，则等离子体辐射的连续光谱强度逐渐降低，而线状特征光谱强度逐渐升高。在飞秒激光脉冲烧蚀 靶后 期间，等离子体辐射的连续光谱较强，原子谱线强度较低无法采集，因此等离子体辐射的 原子光谱从 后开始采集。图飞秒激光烧蚀 等离子体发射光谱 在一个标准大气压环境下，飞秒激光诱导 等离子体发射光谱中 、和 、光谱强度的时间演化曲线如图所示，光谱采集区域距离 靶材表面 。由图可以看出，随着延时增加，和 光谱强度呈现先增大后减小变化，在延时为 处最强，之后随着延时的不断增加而逐渐减小，在延时大于 后，等离子体发射光谱强度随延时增大变化缓慢。图飞秒激光诱导 等离子体发射光谱强度时间演化曲线 图为延时 时，飞秒激光诱导 等离子体发射光谱 中 、和 光谱强度沿等离子体轴向膨胀方向上的空间分布。光谱强度随着等离子体轴向膨胀距离的增加呈现先增大后减小变化，对应的等离子体原子发射光谱强度的最大值位置均距靶材 位置处。随着距离锗靶面位置的距离增加，由于飞秒激光诱导 等离子体的向外膨胀初期时等离子体内电子密度大，等离子体内的电子与原子间的非弹性碰撞使处于激发态的原子密度较高，且等离子体内的电子离子复合几率增加了原子密度，因此 等离子体中原子发射光谱光谱学与光谱分析第 卷的谱线强度变强。随探测位置远离 靶面，向外膨胀的等离子体羽体积变大，以及等离子体前沿与周围空气间的能量交换，使得 等离子体内温度下降，造成等离子体内原子密度降低，导致了 原子谱线强度随着距离靶材表面位置的增加而减小。图飞秒激光诱导 等离子体发射光谱强度的空间演化（延时 ）（）在距离锗靶材表面位置 位置处，固定探测延时为 ，飞秒激光诱导 等离子体发射光谱 、和 光谱强度随激光能量的变化如图所示。等离子体发射光谱的谱线强度随着飞秒激光脉冲能量的增加先增大后减小变化，在激光脉冲能量为 时光谱强度达到最大。随着飞秒激光脉冲能量的增大，激光烧蚀 靶向外膨胀的原子、离子和电子数目增加，导致了等离子体内原子密度增加，从而出现了等离子体内原子光谱的谱线强度升高。当能量大于 后，由于等离子体外层能量交换给周围环境空气，从而出现了等离子体内核电子温度高而外层等离子体电子温度低，出现了等离子体自吸收现象，造成了等离子体辐射的原子谱线强度随着脉冲能量升高而下降变化。图飞秒激光诱导 等离子体的发射光谱强度随激光能量演化 结论开展了飞秒激光诱导 等离子体发射光谱特性研究，获得了 等离子体光谱强度的时间演化和空间演化规律，探讨了脉冲能量对 等离子体光谱强度的影响。实验结果表明，飞秒激光诱导 等离子体发射光谱主要由连续谱和叠加于其上的分立光谱组成，且连续光谱在 时间内快速衰减。等离子体发射的原子谱线强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化，在 时间延时处于最大值，而 等离子体发射的原子谱线强度随着距离 靶材表面位置的距离增加呈先增大后下降变化，在距离靶材表面位置 处于最大值。由于等离子体自吸收机制，等离子体发射的原子谱线强度随着烧蚀激光脉冲能量增加先增加后下降变化。，（刘 泽 金，杨 未 强，韩凯，等）（中 国 激 光），（）：，（）：，：，（）：，（张兴德，赵秀丽，程 玉 峰）（稀 有金 属），（）：，：，：，（）：，（）：，：，（邓凡，胡桢麟，崔灏灏，等）（光谱学与光谱分析），（）：第期闫明亮等：飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性 ，；（，；，）光谱学与光谱分析第 卷