飛秒激光低壓N2等離子體特性的實驗研究*

劉小亮 孫少華 曹瑜 孫銘澤 劉情操 胡碧濤

(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

1 引言

激光器問世以來,激光誘導(dǎo)等離子體技術(shù)[1?3]的研究就引起了人們極大的興趣,但這些早期的研究工作大多集中在氣體等離子體的擊穿機理、閾值特性[4,5]、等離子體光譜時間演化特性、空間分布特性[6?8]以及利用激光等離子體光譜進行物質(zhì)成分分析[9,10],等等.由于受當(dāng)時激光技術(shù)的限制,激光的脈沖寬度僅僅覆蓋了皮秒到納秒或更長的時間范圍.如今,隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的發(fā)展,實驗室內(nèi)可以輕易地獲得脈寬在飛秒量級、強度大于1014W/cm2的穩(wěn)定的脈沖激光輸出.這使得飛秒激光與物質(zhì)的相互作用的研究[11]成為新的熱點.

由于航天器、高海拔以及高速氣流等往往涉及的是低于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的環(huán)境條件,所以需要對低壓條件下的激光等離子體特性進行研究.據(jù)我們了解,Bindhu等[12]利用納秒激光研究了在低于一個大氣壓的條件下氬氣等離子體對激光能量吸收和散射的物理特性;Glumac和Elliott[13]也對低壓條件下的納秒激光空氣等離子體溫度、密度以及空間分布做了報道.另外,文獻[14—16]對強飛秒激光聚焦在空氣中所激發(fā)的等離子體的發(fā)射光譜的特征和閾值進行了實驗研究.但對飛秒激光在低壓條件下等離子體特性的報道并不多.為了進一步加深了解飛秒激光等離子體的特性和機理,我們利用飛秒激光激發(fā)產(chǎn)生N2等離子體的方法,實驗研究了0.1—0.85 atm(1 atm=101325 Pa)樣品氣壓范圍的N2等離子體的光譜特征、等離子體通道特性以及飛秒激光在N2等離子體中的能量傳輸和能量吸收特性.

2 實驗裝置

圖1 實驗光路示意圖

實驗采用啁啾脈沖放大的摻鈦藍寶石飛秒激光系統(tǒng),該激光器系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下:激光脈寬33 fs,重復(fù)頻率為1 kHz,中心波長為810 nm,最大單脈沖能量為3.0 mJ.為了研究低于一個大氣壓的條件下,飛秒激光N2等離子體光譜、等離子體通道特性及激光傳輸和能量吸收的特性,我們設(shè)計了如圖1所示的實驗光路.為了實時調(diào)控與監(jiān)控樣品氣壓,我們使用了BK7光窗、相應(yīng)的充排氣以及氣壓測量儀組成的氣體樣品裝置.激光器產(chǎn)生的單脈沖能量為2.25 mJ的激光脈沖經(jīng)透鏡L1(f=60 mm)聚焦于該氣體樣品裝置中,樣品裝置中的N2在焦點處被擊穿而形成等離子體.在垂直于激光入射方向,等離子體光譜信號被透鏡L2(f=60 mm,物距和像距均為120 mm)收集到OceanOptics USB2000+型半導(dǎo)體光譜儀(探測范圍為340—1000 nm)的光纖耦合探頭上,光譜儀同計算機相連,計算機實時顯示并記錄光譜信號.同時,我們利用與L2規(guī)格相同的透鏡L3將等離子體細(xì)絲1:1成像到電荷耦合器件(CCD)的探測面上,從而觀察等離子體通道的空間分布特征.在激光入射反方向,功率計用于測量并記錄激光脈沖經(jīng)N2等離子體吸收和散射之后的剩余能量,對低壓N2等離子體激光傳輸和能量吸收的特性進行研究.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 激光等離子體光譜特征

實驗中,先對脈沖寬度為33 fs,單脈沖能量為2.25 mJ的脈沖激光在樣品氣壓分別為0.1,0.2,0.3,0.5,0.7和0.85 atm條件下的等離子光譜進行了研究,所得結(jié)果如圖2所示.從圖2中可以看出,在光譜儀探測范圍內(nèi),六種氣壓下的等離子體光譜均由連續(xù)譜本底和疊加于其上的諸多線狀譜[17]構(gòu)成.

為了更清楚地看出各種氣壓下N2等離子體光譜的特性,我們對圖2所示的光譜進行了擬合,扣除等離子體線狀譜之后,經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠交?得到了如圖3所示的等離子體連續(xù)譜.

圖2 激光N2等離子體光譜

從圖3中可以看出,在六種樣品氣壓下的N2等離子體連續(xù)譜均由短波段340—700 nm和長波段700—950 nm兩部分連續(xù)譜[17,18]構(gòu)成,而且都具有一共同的特征:短波段連續(xù)譜在強度上均明顯地高于長波段連續(xù)譜.由于短波段和長波段的連續(xù)譜產(chǎn)生機制不同,前者主要來自韌致輻射,而后者主要是來自復(fù)合輻射[17,19]的貢獻.兩種機制都是自由電子與離子發(fā)生碰撞的結(jié)果,只是前者為自由電子與離子碰撞發(fā)生自由-自由態(tài)躍遷而輻射電磁波的過程,而后者則是自由電子與離子碰撞中被離子俘獲變?yōu)槭`態(tài)的電子,多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來的過程.為了定量地研究兩種機制下的連續(xù)譜隨樣品氣壓的變化特性,我們將兩種波段的連續(xù)譜以及全波段的連續(xù)譜的面積隨氣壓的變化曲線示于圖4.從圖4中,我們可以看出:各種氣壓下的短波段連續(xù)譜面積占全波段光譜面積的比值都在0.8以上,從而得知激光N2等離子體的連續(xù)譜主要來自韌致輻射,復(fù)合輻射貢獻很小.由于短波段的連續(xù)譜占主導(dǎo),短波段以及全波段連續(xù)譜隨樣品氣壓的變化特性基本一致,峰面積均在0.7 atm時達到峰值,0.5—0.85 atm范圍內(nèi)變化相對緩慢,在低于0.5 atm的氣壓時,光譜面積下降得非常迅速.而來自于復(fù)合輻射的長波段連續(xù)譜的峰面積在0.1—0.85 atm范圍內(nèi)相對變化不大.我們分析這些差異可能由以下三個方面的原因造成:一方面,韌致輻射與復(fù)合輻射的相對貢獻與等離子體溫度密切相關(guān),溫度越高,電子越不容易被離子俘獲,復(fù)合輻射的相對貢獻就越小[17,19],在我們的實驗情況下,激光擊穿的等離子體溫度相對比較高,所以復(fù)合輻射不占主要地位;另一方面,隨樣品氣壓的降低,自由電子與離子發(fā)生碰撞的概率減小[20],從而造成由韌致輻射和復(fù)合輻射產(chǎn)生連續(xù)譜強度的降低;另外,在樣品氣壓為0.7 atm時連續(xù)譜的強度最大,可視為各種輻射和吸收機制共同作用達到平衡的結(jié)果.

為了研究低壓條件下激光N2等離子體線狀譜特性,我們對圖2所示的光譜進行擬合,扣除等離子體連續(xù)譜本底后,得到了如圖5所示的等離子體線狀譜.另外,我們已對圖5所示的激光等離子體的大部分線狀譜做了認(rèn)證,即給出了各條線狀譜所對應(yīng)的原子及相關(guān)離子中的躍遷能級對,認(rèn)證結(jié)果列于表1.

圖3 不同樣品氣壓下的激光N2等離子體連續(xù)譜

圖4 (a)短波段、長波段和全波段連續(xù)譜面積隨氣壓的變化曲線;(b)不同氣壓下短波段連續(xù)譜面積與全波段連續(xù)譜面積的比值

表1 N2等離子體光譜認(rèn)證結(jié)果

結(jié)合表1,從圖5中可以看出,所有樣品氣壓下的激光N2等離子體線狀譜均存在N原子譜線和正一價的N離子譜線.同時,隨著樣品氣壓的降低,正一價的N離子譜線強度逐步增強,而N原子譜線則呈現(xiàn)先增后減的變化特征,在0.5 atm時達到最大值.在實驗中,我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)樣品氣壓低于0.30 atm時,會出現(xiàn)少量正二價的N離子譜線N++(399.8 nm)和N++(400.3 nm).另外,從表1中還可以看出,這些大量的離子譜線以及原子譜線的存在與文獻[15,16]所報道的結(jié)果有所不同.文獻[15,16]中,飛秒激光等離子體光譜特征表現(xiàn)為短波段強烈的連續(xù)譜和長波段(波長在800 nm附近)強度相對較低的線狀譜,而沒有出現(xiàn)波長在500 nm附近的大量正一價離子譜線.我們認(rèn)為這些差異是由于樣品氣壓的不同造成的,這是出于以下幾個方面考慮:首先,在不同的樣品氣壓下單個分子吸收激光能量而電離的途徑和機制不同,從而導(dǎo)致所產(chǎn)生的離子價態(tài)不同,隨著樣品氣壓的降低,激光激發(fā)N2電離的閾值增大[5],多光子電離機制占主導(dǎo),并且電離所需光子數(shù)目增加,這樣更容易產(chǎn)生高價離子;其次,在低氣壓下,自由電子平均自由程的增大使得自由電子與高價離子發(fā)生碰撞猝滅的概率減小,故高價離子光譜更容易被觀測到,而在高氣壓下,一方面N2電離時能夠吸收的光子數(shù)目的減少使得難以產(chǎn)生高價態(tài)的離子;另一方面,一價離子以及少量高價態(tài)離子與電子發(fā)生碰撞猝滅概率的增大,從而使得在高氣壓下激光N2等離子體線狀光譜更多地表征為原子譜線.

圖5 不同氣壓下N2等離子體線狀譜 (a)0.85 atm;(b)0.7 atm;(c)0.5 atm;(d)0.3 atm;(e)0.2 atm;(f)0.1 atm

3.2 激光傳輸和能量吸收特性

圖6給出了N2等離子體對飛秒激光能量傳輸以及能量吸收特性隨樣品氣壓的變化曲線.其中,不同氣壓下等離子體吸收和散射的能量(Eabs+sca)與激光能量(Elaser)的比值示于圖6(a)中.從圖6(a)中可以看出,在0.1—0.85 atm的樣品氣壓下,等離子體散射和吸收的能量與激光能量的比值均低于23%,最高值出現(xiàn)在0.7 atm樣品氣壓下的22.7%.這一結(jié)果與文獻[13]報道的結(jié)果不同.文獻[13]報道的是單脈沖能量為180 mJ、脈寬為7 ns、波長為532 nm的Nd:YAG的脈沖激光在樣品氣壓為0.75 atm時,等離子體散射和吸收的能量約占激光能量的79%.我們認(rèn)為這種差異是由于所用不同激光脈沖造成的.一方面,由于脈沖寬度的不同使得氣體被激發(fā)為等離子體的機制不同,當(dāng)脈寬為飛秒量級時,多光子電離是最主要的電子產(chǎn)生機制.而隨著脈寬的增加,多光子電離的作用逐漸減弱,多光子電離產(chǎn)生的自由電子成為“啟動”電子,通過逆韌致輻射進一步吸收光子以獲得足夠的能量與氣體分子發(fā)生碰撞,從而發(fā)生碰撞電離.在這一過程中,可以看出相對于飛秒激光,氣體分子對于納秒激光有著更高的吸收效率[4].另一方面,文獻[13]中的單脈沖能量為180 mJ,遠(yuǎn)高于我們實驗中所用的2.25 mJ的單脈沖能量.已有研究指出,由于自聚焦和自散焦兩種機制的作用,在相同氣壓下,等離子體對脈沖激光能量的散射和吸收隨單脈沖能量的增大而增強[12].

此外,為了定量地研究低壓下飛秒激光等離子體的能量吸收特性,我們將圖2所示的各氣壓下的整個光譜面積(Snor)與等離子體散射和吸收的激光能量(Eabs+sca)的比值隨氣壓的變化曲線示于圖6(b)中.從圖6(b)可以看到,在0.5 atm的氣壓下,激光能量轉(zhuǎn)化為等離子體信號的效率最高,而在氣壓低于0.5 atm時,能量轉(zhuǎn)化效率迅速下降,這表明了在低壓端激光能量的損失更多的是由于等離子體散射造成的.

圖6 (a)不同樣品氣壓下N2等離子體吸收和散射的能量(Eabs+sca)與入射脈沖激光能量(Elaser)的比值;(b)整個光譜面積(Snor)與等離子體散射和吸收的能量(Eabs+sca)的比值隨氣壓的變化關(guān)系

3.3 激光等離子體通道特性

圖7給出了CCD曝光門時為8 ms所拍攝的不同樣品氣壓下的飛秒激光N2等離子體熒光圖像.由圖7可知,在我們的實驗條件下,飛秒激光N2等離子體通道在空間上均表現(xiàn)為單絲結(jié)構(gòu),其長度和寬度分別在2000—2800μm和350—650μm的范圍內(nèi).當(dāng)樣品氣壓低于0.7 atm時,細(xì)絲的長度和寬度均隨著樣品氣壓的降低而增大.同時,還可以看出,當(dāng)樣品氣壓降低時,等離子體細(xì)絲核心向聚焦透鏡幾何焦點移動.正如圖7(f)所示,在樣品氣壓為0.1 atm時,等離子體細(xì)絲核心與幾何焦點近似重合,這與文獻[12]所報道低壓條件下等離子體細(xì)絲限制在聚焦透鏡幾何中心的結(jié)果一致.

教學(xué)機智是指教師面臨復(fù)雜教學(xué)情況所表現(xiàn)出的敏銳、準(zhǔn)確的判斷力，是教師教學(xué)中的“點睛之筆”。教師是語文課堂教學(xué)的指導(dǎo)者、領(lǐng)導(dǎo)者。教師在語文教學(xué)時，不但要提高自身的語文教學(xué)水平，創(chuàng)新教學(xué)方法，還要在課堂上時刻保持教學(xué)激情，保證語文教學(xué)機智。語文課堂教學(xué)機智主要體現(xiàn)在準(zhǔn)確判斷語文課堂狀態(tài)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進行相應(yīng)的教學(xué)模式改變,在語文教學(xué)機智中，最重要的就是準(zhǔn)確判斷和快速改變，兩者相得益彰，缺一不可。

圖7 不同氣壓下N2等離子體通道圖像(X軸正方向為靠近聚焦透鏡方向,透鏡幾何焦點位于X軸1400μm處)(a)0.85 atm;(b)0.7 atm;(c)0.5 atm;(d)0.3 atm;(e)0.2 atm;(f)0.1 atm

另外,從圖7中還可看出,等離子體細(xì)絲核心均具有最高的光輻射強度.為此,我們將圖7所示的等離子細(xì)絲的最高光輻射強度隨氣壓的變化曲線示于圖8.不難發(fā)現(xiàn),其變化趨勢與圖6(b)所示的激光能量轉(zhuǎn)化為等離子體光譜信號強度的效率變化趨勢一致.因此,我們得出結(jié)論:飛秒激光等離子體的核心才是吸收激光能量的主要部分.這充分證明了多光子電離是飛秒激光擊穿氣體產(chǎn)生等離子體的主要機制.同時,這也很好地解釋了飛秒激光等離子體的能量吸收效率并沒有隨等離子體的體積增大而增大的矛盾.

圖8 等離子細(xì)絲的最高光輻射強度隨氣壓的變化

4 結(jié)論

本文實驗研究了在低于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下,超強飛秒激光激發(fā)N2等離子體的光譜、空間分布特征以及激光在等離子體中的傳輸和能量吸收特性.實驗得到的主要結(jié)論如下:1)在低于一個大氣壓的樣品氣壓下,激光脈沖寬度為33 fs,單脈沖能量為2.25 mJ的激光脈沖產(chǎn)生的N2等離子體光譜的主要特征均表現(xiàn)為連續(xù)譜本底和分立線狀譜的疊加;2)隨樣品氣壓的降低,由韌致輻射和復(fù)合輻射產(chǎn)生的連續(xù)譜強度在0.5—0.85 atm范圍內(nèi)變化相對緩慢,在低于0.5 atm的氣壓下,光譜面積迅速下降,同時,在較高的樣品氣壓下,線狀譜表現(xiàn)為強烈的N原子光譜,而在低氣壓時,N原子光譜的強度下降得非常迅速,而正一價N離子光譜的強度有所增強,甚至出現(xiàn)了正二價的離子光譜;3)對于飛秒激光,在各種樣品氣壓下等離子體對激光能量的吸收和散射效率都不高,通過對比等離子體光譜面積,在氣壓低于0.5 atm時,等離子體對激光能量的吸收效率更低,激光能量的損失更多的是由于等離子體的散射造成的;4)在我們的實驗條件下,飛秒激光等離子體通道均為單絲結(jié)構(gòu),其空間分布特征主要表現(xiàn)為細(xì)絲的體積隨氣壓的降低而增大;光輻射強度與能量吸收率隨樣品氣壓的變化趨勢一致,隨氣壓的降低,均經(jīng)歷了緩慢增加發(fā)展為迅速降低的過程.上述結(jié)果是飛秒激光N2等離子體特性在改變樣品氣壓的條件下得到的,也是飛秒激光與氣體相互作用在不同的氣壓下具有不同的電離機制、能量傳遞途徑和吸收效率的體現(xiàn).這些結(jié)果為深入了解飛秒激光等離子體的特性和機理提供了新的線索,也為實驗上有針對性地觀測不同價態(tài)的離子光譜提供了可靠的實驗依據(jù).

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