激光誘導鋁等離子體中原子和離子組分膨脹特性?

林芷伊 簡俊濤 王小華 杭緯

(廈門大學化學化工學院化學系,譜學分析與儀器教育部重點實驗室,廈門 361005)

1 引 言

近年來,隨著激光器的不斷發展,激光誘導等離子體(laserinduced plasma,LIP)技術已發展成為一個重要的等離子體分析方法,引起科研人員極大的興趣,被廣泛運用于材料和環境等領域的元素鑒定[1?3].LIP的發光圖像能夠很好地呈現等離子體在宏觀時空的演化過程,而成像技術的關鍵在于瞬時俘獲高時間分辨的等離子體行為,且在低曝光時間的收集條件下,具備感知低光子的能力.在眾多的成像方法中,除了條紋相機成像外[4],增強型電荷耦合器件(intensified charge coupled device,ICCD)快速照相是目前應用較多的LIP可見光照相技術[5,6].

LIP作為一種光譜發射源,存在著瞬態行為[7],等離子體的時間演化規律與其形態及空間不均勻性相關[8],因此深入理解等離子體動力學和膨脹動力學,對于優化等離子體作為光譜發射源的使用至關重要.

激光與物質相互作用涉及復雜的物理過程,不僅取決于激光參數(如能量、脈寬、波長等),還與氣體氛圍以及樣品性質有關,目前已有眾多學者對LIP的時空演化特性進行了研究.Bogaerts等[9]對等離子體與環境氣體的相互作用所進行的模擬結果顯示,在高壓環境氣體中羽流膨脹受到限制,速度較慢.與真空膨脹相比,在大氣壓下的膨脹速度降低了一個數量級[10,11].因此多數研究都在超高真空環境下進行,避免了等離子體與環境相互作用的復雜性.如鄭培超等[12]在高真空下拍攝了鋁合金等離子體的時間演化過程,通過玻爾茲曼斜線法和Stark展寬法計算了鋁合金等離子體電子溫度和電子數密度的時間演化規律;而文獻[13—16]對等離子發射光譜的特征等進行研究,獲得了沿目標法線方向的一維信息.這些研究雖然提供了等離子羽流動力學的相關理論,但不能準確描述環境氣體存在下的等離子羽膨脹規律,且僅在一維方向進行分析.亦有學者采用不同光譜手段對等離子體光譜進行二維(two-dimensional,2D)分析,但大多報道的是整合光譜的2D圖像[17,18],光譜分辨的2D分析很少.

本文提出一種新的分析方法,結合光譜與emICCD實現光譜分辨的快速照相探測,以獲得等離子中不同組分的光譜2D圖像,診斷鋁等離子體中原子與離子的時空演化過程.同時改變背景氣壓值,探究背景氣體對其演化特性的影響.這是一種替代窄帶濾光片的有效分析方法.

2 實驗裝置

實驗使用配有emICCD檢測器(型號PM4-512-EM-RB-FG-18-P43,Princeton Instrument)的C-T型三光柵單色儀(焦距300 mm,型號ARC-SP-2356,Princeton Instrument)來對等離子體時序采集,使用光柵300 g·mm?1(分辨率為0.66 nm)進行光譜分析,得到等離子體中激發態粒子發射譜線信息;使用光柵2400 g·mm?1(分辨率0.08 nm)替代窄帶濾光片進行等離子體羽流成像診斷實驗,實驗裝置如圖1所示.采用Nd:YAG激光器(型號NL303G,EKSPLA),輸出二倍頻波長532 nm的激光,脈寬約5 ns,頻率10 Hz,通過衰減器調節后能量范圍為2—50 mJ.激光束由焦距為6 cm的平凸透鏡聚焦到純鋁金屬樣品(99.99%,New Metal Materials Technology,China)表面,形成光斑直徑約150μm.環境氣體為氦氣,樣品室氣壓可調.樣品放置在2D樣品臺并以800μm步距進行移動,移動頻率為1 Hz,每個作用點打擊10次,避免彈坑效應的影響.利用Q開關信號同步觸發emICCD探測器與激光脈沖同步輸出.以激光與樣品作用的時刻設為觸發零點,不同能量下的圖像采集所設置的延時和門寬都與其對應.裝置可整體移動,保證樣品處在emICCD的拍攝范圍內.

圖1 2D光譜與時間分辨的實驗裝置Fig.1.Experimental setup for the 2D spectra and time-resolved emission study.

3 結果與分析

納秒激光脈沖作用下產生鋁等離子體的能量密度閾值(Fth)可通過公式進行計算[6],其中ρ為材料的密度(2.7 g·cm?3);?為汽化潛熱(1.085×104J·g?1);τP為激光脈沖持續時間(5×10?9s);D為熱擴散系數(0.9628 cm2·s?1),其表達式為D=k/ρCP,k為熱導率,CP為比熱.通過上式計算可得到Al的剝蝕閾值約為2.40 J·cm?2.

實驗獲得了鋁等離子體在300—520 nm波長內的發射光譜,查找美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)數據庫并歸屬標注對應發射譜線[19],結果如圖2所示.可以得出在能量密度小于4 J·cm?2的條件下,等離子羽以中性粒子為主,電離度較低.隨著能量密度的升高,樣品吸收更高能量,溫度升高,等離子體中性粒子以及離子數目增多,信號強度增強.選擇其中396.1 nm的Al I原子譜線、466.3 nm的Al II一價離子譜線以及447.9 nm的Al III二價離子譜線作為研究對象進行LIP膨脹特性診斷.

圖2 在距離樣品表面0.65 mm處,激光作用后延遲50 ns,探測門寬200 ns下記錄的等離子體發射光譜圖(氣壓為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離子膨脹特性

實驗中通過調節光柵設置光譜儀的中心波長,將單色儀的高分辨光柵作為一種替代窄帶濾光片的方式來采集不同價態譜線的光譜診斷圖像.在窄狹縫寬度下,可利用推掃形式進行拼接得到2D圖像.使用高分辨光柵,在使用的入射狹縫寬度下,所選擇的分析線與鄰近發射線的狹縫窄帶圖像不發生重疊,另外在視頻顯微鏡頭前配合使用輔助物鏡來縮小圖像,從而在狹縫窄帶范圍內完整收集羽流圖像,相當于簡化了推掃過程,實現了快速診斷光譜分辨的膨脹羽流特性.圖3展示了原子Al I和離子Al II,Al III分析線在100—500 ns,60—140 ns,60—100 ns的延遲時間之內的演化過程,顯示Al I,Al II,Al III在激光能量密度為12.5,14.2,20.8,31.4 J·cm?2時的演變,延遲時間(delay time,DL)標記在圖像頂部,圖像左端為樣品表面.以推進位置的變化對延遲時間做圖,可以從圖像斜率來估算各組分羽流沿樣品法線方向的平均速度.計算得到的結果為:Al III(447.9 nm)離子具有較高的離子平均速度(約為3×104m·s?1),Al II(466.3 nm)離子平均速度約為1.8×104m·s?1,而原子組分具有相對較小的平均速度(約0.7×104—1×104m·s?1).

對比圖3中延遲100 ns時原子和離子的2D圖像,從圖3(b)和圖3(c)可以看到離子相對于原子分布(圖3(a))在等離子體羽流前端,另外可以明顯觀察到離子組分傾向于沿樣品法線方向發射,相對于原子組分具有較小的角度分布.這種空間分離被認為是由LIP羽流擴展的早期出現的雙極擴散機理所致[20,21],加速過程導致離子具有較快的速度,且離子所帶電荷越大,速度越快[22].在該能量變化范圍內離子的平均速度與激光脈沖能量沒有明顯的聯系,而可觀察到中性原子隨著能量密度的增大速度明顯增加.中性粒子平均速度的增加可以解釋為羽流膨脹過程中原子與高能電離組分發生部分復合.從圖3還可以觀察到離子組分羽流的后部與原子組分羽流的前端部分重疊.分別根據第一張延遲時間得到的圖像強度來對不同延遲時間的圖像進行歸一化,可以看到隨著膨脹過程的進行,各組分羽流沿樣品法線方向推進且發射強度都在逐漸降低,對應的羽流密度和溫度也降低.這與唐曉閂等[23]的實驗結論相符合.此外,采集激光能量密度為14.2 J·cm?2,延遲為150 ns的三種研究粒子的LIP時間積分圖像,積分時間500 ns,繪制發射強度的空間分布圖并歸一化(見圖4),由此可得:中性原子在等離子體羽流發射中占主導地位,其發射強度相對離子組分較高.需要指出的是,此方法是基于等離子體中某一激發粒子的單一發射線進行分析,可揭示所探測的組分粒子分布演化的普遍規律,用于快速直觀地展示等離子羽中不同粒子組分的演化過程.

3.2 不同氣壓下原子和離子膨脹特性

本節研究改變背景氣壓值,探究背景氣體對等離子體演化的影響.選取激光能量密度為20.8 J·cm?2,氣壓范圍為0.1—104Pa,得出LIP中各研究組分的延遲演化圖像(見圖5).由圖5可知,等離子體在低氣壓(0.1 Pa)下可以自由膨脹,此時背景氣體對它的影響較小.當氣壓大于1 Pa時,等離子體與環境氣體發生相互滲透,對應于圖5膨脹前端出現的暈影,產生擾動.隨著氣壓進一步升高,膨脹特性開始發生明顯變化,從氣壓為10 Pa開始,發光強度集中在前段界面處,等離子體與背景氣體發生碰撞,碰撞過程持續進行并逐漸形成堆積.由于背景氣體密度比等離子體要小,產生沖擊波[24]并向背景氣體方向傳播,前沿呈現弦月狀.從圖5可以看到隨著氣壓增大,各組分均受到背景氣體的束縛而減速.從圖5(a)可以看到在1000 ns延遲下,10 Pa氣壓下的原子羽流弦月狀前沿距離樣品表面約16.5 mm,而在104Pa氣壓下前沿壓縮至7.5 mm左右,另外,以延遲100 ns下的2D圖像最大強度值降低e?1來比較等離子體的壽命,圖5(a)中0.1 Pa氣壓下其約為0.5μs,100 Pa氣壓下約為1.48μs,而104Pa氣壓下遠大于2μs.可以看出等離子體的壽命隨著氣壓的升高而延長.這是因為環境氣壓的升高導致等離子羽收縮、與背景氣體的碰撞概率增加,使得等離子體中的激發態粒子增加,羽流發射強度加強[25].

圖3 鋁等離子體羽流在不同激光能量密度下演變的2D演化圖像 (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.

圖4 在激光能量密度為14.2 J·cm?2,延遲為150 ns時LIP時間積分圖像與歸一化后三種成分的典型發射線沿著表面法向發射強度的分布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.

圖5 0.1—104Pa壓力下,激光能量密度為20.8 J·cm?2時鋁等離子體羽流中激發粒子的emICCD圖像 (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 結 論

本文以納秒激光誘導鋁等離子體為研究對象,結合光譜分辨診斷,利用高時間分辨的emICCD技術俘獲等離子體快速瞬態的特性,實現了等離子體中各組分羽流膨脹特性時空診斷.等離子體真空膨脹速度約為104m·s?1量級,離子平均速度高于原子粒子平均速度,價態越高速度越大,可解釋為在激光作用初期,熱電子獲得能量后以超越等離子體組分粒子的速度逃逸至羽流前端,形成靜電勢壘對帶電粒子產生加速作用,價態越高,庫侖作用越明顯,而較大的速度也導致離子傾向于沿樣品法線方向發射,分布更窄.另外在氣體環境下,等離子體膨脹受背景氣體的影響,發生碰撞能量傳遞,產生沖擊波,熱化緩速,羽流壓縮等過程.