激光誘導等離子體在巖石表面的分布

孟昭暉，詹洪磊，陳 儒，張善哲，陳夢溪，趙 昆

(中國石油大學(北京) a.石油和化工行業油氣太赫茲波譜與光電檢測重點實驗室;b.新能源與材料學院,北京 102249)

激光脈沖技術已廣泛應用于固體的基本物理性質的研究. 短激光與物質之間的相互作用能夠使局域鍵發生斷裂，最終導致原子和離子脫離束縛從而產生運動[1-2]. 可見光或紫外光頻率下的光子，在輻照到固體的表面和近表面區域時，能夠激發表面粒子使其發生振動現象[3-10]. 受全球能源需求增加的影響，非常規油氣藏在石油工業中有著越來越重要的地位. 砂巖和頁巖作為儲層巖石的重要組成部分，由于其巨大的勘探潛力，在近10年來受到越來越多的關注[11-13],并且作為儲層巖石的主要組成部分，在儲能和地質演化中起著重要作用. 因此激光脈沖技術已經被應用于巖石的物性檢測等方面的研究. 利用激光感生電壓能夠評估巖石的分層結構和含油量，以及由空穴與電子遷移率的差異導致的電位差所引起的介質巖石的Dember效應[14-19].

本文選取砂巖和頁巖作為實驗對象，研究其與激光的相互作用. 當砂巖試樣表面受到紫外激光束照射時，激光束的一部分能量會被表面吸收. 當接收到的脈沖激光強度超過樣品閾值時，表面產生等離子體. 等離子體在各個方向上運動的概率是相等的，但在外加電場的作用下，等離子體中的正負電荷分離，產生定向運動，從而會產生電壓效應. 本文對砂巖和頁巖2種巖石表面等離子體的分布進行探測. 由實驗結果可知，在光照點附近能夠得到更大的電信號，而隨著探測點遠離光照點，探測到的電壓峰值Vp逐漸減小，且Vp減小的速度先增大，后逐漸趨于平緩. 較大的Vp探測范圍在樣品表面的三維區域內呈現出半球的形狀，表明了等離子體在樣品表面呈半球狀分布.

1 實 驗

實驗中選取的樣品為四川吳莊的細粒砂巖，將其切割成表面為3 mm×10 mm、厚度為2 mm的長方體，并對表面進行打磨，使其光滑. 在樣品表面建立三維坐標系，如圖1所示. 在距離樣品表面0.5 mm的位置，懸空放置兩相距1 cm的電極，通過連接2400數字源表，對樣品施加外加電場. 將脈寬為20 ns、波長為248 nm的紫外脈沖激光聚焦后照射在樣品表面，焦點位置為(2 mm，5 mm). 利用示波器探測產生的電壓信號，示波器一端接地，另一端連接探針，在表面3 mm×10 mm×5 mm的范圍內進行探測，如圖1所示.

在確保激光不照射在探針的條件下，對激光照射點上產生的電壓進行探測. 改變外加電場的大小，得到如圖2所示的電壓信號，電壓信號呈現出迅速上升，然后緩慢下降的趨勢. 上升時間為0.001 ms，半高全寬為0.25 ms. 提取不同偏壓條件下產生的電壓峰值，如圖3所示，外加電壓從10 V增加到210 V，電壓峰值從0.002 V增加到0.33 V. 從圖3中能夠觀察到，外置偏壓越大，能夠探測到的電壓信號越大. 將外置偏壓設定為210 V，以(2 mm，5 mm)為中心，在樣品表面的三維范圍內探測樣品表面的電信號.

圖1 表面等離子體探測示意圖

圖2 同一位置不同偏壓條件下測得的電壓信號

圖3 電壓峰值隨偏壓的變化

2 實驗結果與討論

在距巖石表面1 mm的平面上，對“十”字區域樣品產生的電信號進行探測，均能夠得到明顯的電壓信號. 提取不同測試點上對應的信號峰值，得到峰值隨位置的變化規律. 如圖4所示，在x=2 mm的直線上，測試點逐漸接近光照點，再逐漸遠離，電壓峰值先增大后減小(從0.05 V增大到0.2 V，又逐漸減小到0.07 V，相對極差達到131%). 在y=5 mm的直線上，峰值從0.08 V增加到0.2 V，再減小到0.15 V，相對極差超過75%. 根據測試結果，在光照點附近能夠獲得最大的電信號，且測試點與光照點距離越遠，測得的Vp越小；距光照點越遠的測試點，其Vp減小的速度先增大，后趨于穩定. 由Vp的測試結果可知，以(2 mm，5 mm)為中心，樣品表面產生的等離子體濃度在“十”字探測區域(2 mm，5 mm)內呈發散狀逐漸衰減.

(a)x=2 mm

(b)y=5 mm圖4 “十”字區域內峰值Vp隨位置點的變化

圖5 砂巖表面三維區域內Vp的分布

基于對“十”字區域內的電信號的測試結果，擴大在樣品表面上電信號的探測范圍，在樣品表面3 mm×10 mm×5 mm的三維區域內進行電壓測試，探測結果如圖5所示.圖5中紅色區域表示較大的Vp值，綠色區域表示較小的Vp值. 從圖5中能夠觀察到，隨著測試點與光照點的距離逐漸增大，所得到的電壓信號逐漸減小. 在三維空間中，產生較大Vp值的區域(紅色區域)呈現出半球的形狀，半球的中心為樣品的光照點. 從圖5中觀察到，Vp最大值為0.33 V，邊緣處的最小值為0.03 V，相對極差接近170%，證明該方法能夠敏感地檢測到激光照射產生的等離子體.

為驗證檢測到的表面等離子體的分布，使用相同方法制備頁巖樣品. 將頁巖制備為3 mm×10 mm×2 mm的樣品，將兩表面打磨平行，將紫外脈沖激光聚焦后照射在頁巖的平行層理表面，測試結果如圖6所示. 能夠觀察到，相同條件下，頁巖的最大Vp值為0.5 V，相較于砂巖能夠得到更大的激光感生電壓. 同一平面內，Vp的分布規律與砂巖的測試結果大致相同，在光照點附近能夠探測到最大的Vp，并且隨著探測點遠離光照點，Vp逐漸減小，并且減小的速度先逐漸加快，之后逐漸趨于穩定.

圖6 頁巖表面不同平面內Vp的分布

由于聚焦后的激光強度較大，超過樣品表面閾值，照射在樣品表面后，表面粒子受到激發會產生等離子體. 在外加電場的作用下，等離子體受到電場的作用正負電荷發生分離，且產生定向運動. 探測點上的電勢發生改變，與接地端產生電壓降，因此示波器能夠探測到明顯的電壓信號. 由于外加電壓所產生的電場不是平行電場，表面產生的等離子體受到不平行的電場作用，在不同平面內受到不同的作用力，因此測試發現，在不同平面內，Vp最大值產生的位置點具有一定偏差.

巖石在受到較強激光照射后，由于樣品與激光的相互作用而產生等離子體，但由于樣品之間存在成分和結構的差異，所產生的等離子體的數量及組成成分存在差異，這些差異導致檢測到的電壓信號峰值、上升時間以及半高全寬等數據不同. 但激光輻照產生的等離子體在樣品表面的分布都基本一致，呈現出以光照點為中心的半球狀分布，等離子體的密度由中心向四周逐漸減小.

3 結 論

探測了在砂巖和頁巖表面由激光照射感生的電壓，分析了表面等離子體的分布規律. 實驗發現，在接近光照點的位置，能夠探測得到較大的Vp，表明在該范圍內等離子體的密度較大，隨著探測點與光照點間距逐漸增大，Vp值也逐漸減小，并最終趨于穩定. 在表面的空間范圍內，較大Vp的分布形狀表現為半球狀，由此可知等離子體在表面呈現半球狀的分布. 相同條件頁巖的測試結果與砂巖相類似. 利用基礎的電學知識，實現了對表面等離子體分布的探測，因此該實驗可做為本科生的創新實驗.