納秒激光誘導銅等離子體中原子激發態5s′4D7/2的瞬態特性研究*

劉世炳劉院省 何潤 陳濤

(北京工業大學激光工程研究院，北京100124)

(2009年10月30日收到;2009年11月23日收到修改稿)

納秒激光誘導銅等離子體中原子激發態5s′4D7/2的瞬態特性研究*

劉世炳?劉院省 何潤 陳濤

(北京工業大學激光工程研究院，北京100124)

(2009年10月30日收到;2009年11月23日收到修改稿)

利用時間分辨光譜技術，研究了激光誘導Cu等離子體中激發態5s′4D7/2的形成及其輻射躍遷的瞬態特性.結果表明:在激發態5s′4D7/2原子的制備過程中，電子離子復合、粒子間碰撞機理在不同時刻分別起主導作用.激光峰值到達金屬表面后500 ns期間，粒子間的劇烈碰撞作用使得激發態5s′4D7/2主要通過向低能態4p′4F9o/2躍遷來轉移能量.500 ns以后，激發態5s′4D7/2通過以相同的概率輻射CuI465.11nm和CuI529.25nm特征譜線向低能態4p′4F9o/2和4p′4D7o/2轉移能量.

激光燒蝕，時間分辨光譜，等離子體輻射，能量轉移

PACC:3150，3220J，3580B，5250J

1. 引言

深入認識光化學反應動力學過程，探索控制光化學反應的有效途徑，是科學家長期奮斗的目標［1，2］.原子激發態作為光化學反應的基本單元，一直以來都是人們重點研究的對象.利用脈沖激光與物質相互作用產生的等離子體來制備原子激發態，是一種便捷、高效的手段［3—7］.鑒于等離子體內部粒子間相互作用的復雜性，原子激發態的形成機理，目前仍是眾說紛紜，沒有統一、明確的物理解釋.如，Sdorm等人認為原子激發態源于團簇或顆粒被電子汽化、激發后退激的過程［8］.Timmer等人則指出電子-離子復合是原子激發的重要因素［9］.Chen等人的研究表明碰撞激發是原子激發態產生的主要機理［10］.對等離子體中原子激發態瞬態特性的深入研究，不僅能明確原子激發態的形成機理、能量轉移過程等諸多根本問題，而且對于進一步控制原子激發態的能量轉移、以至實現化學反應的有效控制都十分必要.銅原子偶宇稱激發態5s′4D7/2，其產生和衰變涉及多個重要物理過程，能夠全面反映激光誘導銅等離子體中原子激發態的動力學演化過程.因此，本文采用時間分辨光譜技術研究納秒脈沖激光與金屬銅相互作用產生激發態5s′4D7/2的動力學演化過程，包括電子-離子復合、高能態原子碰撞退激發、低能態原子碰撞激發等過程，探索了對激發態5s′4D7/2制備起主導作用的時間范圍，討論了激發態5s′4D7/2通過輻射特征譜線CuI465.11nm和CuI529.25nm轉移能量的瞬態過程.

圖1 瞬態光譜實驗裝置

2. 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.Nd:YAG激光器產生的波長1064nm、脈寬27 ns、最大單脈沖能量800 mJ的激光，經偏振分束棱鏡SP分成兩束，一束送入能量計EM(Newport Model:2835-C，Model:818E-20-50-F)進行輸出能量監視，另一束經半波片HW、偏振片P調節能量后，由反射鏡BP(R=99%)反射，經石英透鏡L1(焦距f=80mm)聚焦于Cu靶表面，產生等離子體，激光焦斑直徑約200μm.等離子體產生的光譜由石英透鏡L1收集后，經透鏡L2(焦距f=25mm)耦合進入光纖，等離子體光譜經光譜儀(Acton Model:2500i;Grating:1200 g/mm)分光后，由ICCD(PI Model:7397－0005)采集，采集數據送計算機處理并顯示(實驗光路中未畫出計算機)，ICCD曝光時間精度2 ns.光譜儀與激光脈沖的同步是通過激光器輸出的TTL信號同步觸發光譜儀的延時裝置PTG(PI Model:7501－0001)來實現的(實驗光路中未畫出電信號的連接線)，TTL觸發信號的電抖動小于1 ns.實驗前，用示波器(Agilent Model:DSO7052 A)及光電探頭(Newport Model: 818-BB-22)測得激光脈沖的峰值半高寬為27 ns;光譜儀用標準Hg燈光源(PI Model:MS-416)進行譜線位置校準，用氙燈標準連續譜光源進行衍射效率校準;實驗樣品為純Cu(Purity:≥99.99%)，用砂紙磨平后，由顆粒直徑2μm的拋光液拋光;靶材置于二維電動移動臺MS上，通過調節移動臺的移動速度，激光脈沖每次都打在Cu靶的新位置上，保證了重復事件的穩定性.

3. 實驗結果及分析

峰值功率密度2.59×1010W/cm2的納秒激光脈沖作用于Cu靶，產生等離子體的輻射譜線如圖2所示.實驗在大氣中進行，激光燒蝕金屬Cu的過程中，空氣中N原子、O原子等，也參與相互作用，形成各種原子和離子激發態，同時輻射相應的特征譜線.本文關心的是與Cu原子激發態5 s′4D7/2相關的兩條特征譜線即CuI465.11nm和CuI529.25nm.表1給出了產生這兩條特征譜線的躍遷過程，及相應原子激發態的電子結構和能級信息［11］.

圖2 激光誘導Cu等離子體在445—540nm波段的發射光譜

表1 CuI465.11nm和CuI529.25nm的躍遷能級信息

3.1. Cu原子偶宇稱態5s′4D7/2的形成機理

圖3及圖4示出了特征譜線CuI465.11nm和CuI529.25nm的動力學演化過程.本文取激光脈沖峰值達到Cu靶表面的時刻為時間零點，圖中負時刻表示激光脈沖前沿先于激光峰值達到金屬表面的時間.激光到達Cu靶表面瞬間，金屬導帶電子通過逆韌致過程吸收激光能量，隨后經與金屬晶格碰撞，將吸收的激光能量轉換為金屬表面溫度的升高［12，13］.在激光峰值到達之前，金屬表面在激光脈沖前沿的作用下，經歷了融化、蒸發、汽化、形成等離子體等一系列復雜的相變過程［14，15］.時間分辨光譜檢測結果顯示激光峰值到達靶表面之前約25 ns時，等離子體形成，同時伴隨著連續光譜出現.隨著后續激光脈沖與等離子體中原子、團簇等粒子碎片的進一步相互作用，等離子體的密度逐漸增大.圖3 (a)及圖4(a)表明，激光峰值過后約10 ns，等離子體連續譜輻射強度達到極大值.隨后，由于脈沖后沿的激光能量不斷變弱，等離子體中離子的產生速率低于其復合速率，離子密度開始降低，輻射連續譜的強度逐漸下降.直至激光峰值過后約25 ns時，等離子體輻射的連續譜上疊加出現較弱的特征譜線CuI465.11及CuI529.25nm，表明等離子體在電子-離子復合過程中開始形成［Ar］3d94s(3D3)5s電子結構，偶宇稱激發態5s′4D7/2上出現粒子布居.在激光峰值過后約200 ns這段時間內，特征譜線CuI465.11及CuI529.25nm的輻射強度隨時間逐漸上升，這是由于等離子體內部的離子通過與電子復合，形成大量偶宇稱激發態5s′4D7/2，且其形成速率高于消耗速率.在200 ns時，激發態5s′4D7/2的累積與消耗速率達到平衡，兩條特征譜線的輻射強度出現極大值.200 ns以后，連續譜輻射強度降到最低，等離子體消失，電子離子通過復合制備激發態5s′4D7/2的機理可以忽略.

圖3 CuI465.11nm的時間演化光譜(a)－50—300 ns過程;(b)300—1500 ns過程

圖4 CuI529.25nm的時間演化光譜(a)－50—300 ns過程;(b)300—1500 ns過程

圖5 CuI465.11nm和CuI529.25nm發射強度的半高全寬隨時間的演化

圖5示出了特征譜線CuI465.11及CuI529.25nm半高全寬隨時間的變化.在激光峰值過后的200—500 ns期間，兩條特征譜線半高全寬較大，并隨時間下降，表明粒子間存在著劇烈的碰撞作用，同時這種碰撞作用隨時間變弱.在此期間，低能態原子的碰撞激發、高能態原子的碰撞退激發過程成了激發態5s′4D7/2的主要制備機理，制備過程如為

3.2. Cu原子偶宇稱態5s′4D7/2的能量輻射轉移過程

在Cu原子偶宇稱激發態5s′4D7/2的整個動力學演化過程中，其粒子布居數始終處于動態變化中.一方面，電子-離子復合、低能態原子碰撞激發、高能態原子碰撞退激發等物理機理，不斷制備5s′4D7/2激發態原子;另一方面，該激發態原子又通過輻射特征譜線，不斷消耗制備的激發態5s′4D7/2原子.圖6示出了CuI465.11nm和CuI529.25nm兩條特征譜線強度隨時間的演化過程.輻射初期，兩條特征譜線的輻射強度均隨時間上升，表明5s′4D7/2激發態上原子數量的累積速率大于其消耗速率.在約200 ns處，原子激發態5s′4D7/2的累積速率和消耗速率達到平衡，兩條特征譜線的輻射強度均達到極大值.此后，隨著等離子體的消失，激發態原子的消耗速率超過其累積速率，CuI465.11nm和CuI529.25nm的輻射強度隨時間下降.500 ns之前，粒子間存在劇烈的相互作用，Cu原子4s5s電子的自旋角動量與軌道角動量耦合嚴重，躍遷過程5s′4D7/2→4p′4D7/2(ΔL=0，ΔJ=0)較躍遷過程5s′4D7/2→4p′4F9o/2(ΔL=1、ΔJ=1)更難發生［16］，因此CuI465.11nm輻射強度高于CuI529.25nm的輻射強度.在激光峰值過后的25—500 ns期間，激發態5s′4D7/2主要通過輻射特征譜線Cu I 465.11nm來轉移能量. 500 ns之后，隨著粒子間碰撞作用的消失，Cu原子4s5s電子的自旋與軌道角動量脫耦，激發態通過上述兩個躍遷過程轉移能量的概率逐漸趨于一致，并且在1000 ns以后，激發態5s′4D7/2以幾乎相同的幾率通過輻射CuI465.11nm及CuI529.25nm兩條特征譜線向低能態4p4F9o/2和4p′4D7/2轉移能量.圖7總結了Cu原子激發態5s′4D7/2在不同時間范圍內的產生機理及能量轉移機理.

圖6 CuI465.11nm和CuI529.25nm的輻射強度隨時間的演化

圖7 Cu原子激發態5s′4D7/2的產生機理及其能量轉移過程

4. 結論

納秒激光脈沖誘導等離子體輻射初期，連續輻射主要源于自由電子的韌致輻射以及電子-離子的復合過程.在激光脈沖峰值到達Cu靶表面后的25—200 ns期間，電子-離子復合是生成Cu原子激發態5s′4D7/2的主要機理;200—500 ns期間，低能態Cu原子的碰撞激發和高能態Cu原子的碰撞退激發過程是激發態5s′4D7/2的主要制備機理;500 ns之前，粒子間的劇烈碰撞作用使得激發態5s′4D7/2主要通過向低能態4p′4F9/2躍遷來轉移能量.500 ns以后，激發態5s′4D7/2以幾乎相同的概率通過輻射CuI465.11nm和CuI529.25nm向低能態4p′4F9o/2和4p′4Do7/2轉移能量.

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PACC:3150，3220J，3580B，5250J

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10974010)，Beijing Technological Innovation Plan(Grant No. 1010005466903)，Bejing University of Technology Ph.D.Innovation Plan 2009.

?E-mail:sbliu@bjut.edu.cn

Instantaneous characteristics of excited atom state 5s′4D7/2in the copper plasma induced by laser

Liu Shi-Bing?Liu Yuan-Xing He Run Chen Tao
(Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)
(Received 30 October 2009;revised manuscript received 23 November 2009)

The formation of excited atom state 5s′D7/2and its transition process in the copper plasma induced by nanosecond pulse laser are studied by the time-resolved spectrum technology.The experimental results indicate the recombination of electron and ion and the collisions among particles each play a dominent role in forming excited atom state 5s′D7/2at different tims during its evolvement.When the collisions among particles are severe，the excited atom state 5s′D7/2mainly transits to low energy atom state 4p′4F9o/2.500 ns after the peak of laser pulse arriving at target surface，the excited state 5s′D7/2transited to 4p′4F9o/2and 4p′4D7/2with the same probabilities by emitting lines CuI465.11nm and CuI529.25nm respectively.

laser ablation，time-resolved spectrum，plasma radiation，energy transfer

book=455,ebook=455

*國家自然科學基金(批準號:10974010)，北京市科技創新平臺(批準號:1010005466903)，2009年北京工業大學博士創新計劃資助的課題.

?E-mail:sbliu@bjut.edu.cn