王興生 馬彥明 高勛 林景全

(長春理工大學(xué)理學(xué)院,長春 130022)

開展納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體近紅外輻射特性的實驗研究,對波長為532 nm的脈沖ns激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的空氣等離子體的近紅外光譜進(jìn)行測量.結(jié)果表明:空氣等離子體的近紅外輻射在光譜范圍為1100—2400 nm內(nèi)由連續(xù)譜和線狀譜組成,光譜指認(rèn)表明線譜主要來源于N,O原子的中性原子譜和氮分子的振動光譜.通過對連續(xù)譜的分析得知,黑體輻射是連續(xù)輻射的主要來源.空氣中波長1128 nm附近的輻射,可能是N和O中性原子譜的貢獻(xiàn).保持真空腔內(nèi)氣壓不變,改變腔內(nèi)氮?dú)夂脱鯕鈿怏w組分含量,分析測得的紅外光譜數(shù)據(jù),可知混合氣體中氧氣和氮?dú)夂孔兓粚ΣㄩL為1128 nm附近的輻射有影響.利用二元線性回歸分析對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得知,氧氣對波長為1128 nm附近的輻射貢獻(xiàn)較大.最后從電離難易的角度分析造成這一結(jié)果的原因.

1 引 言

脈沖激光誘導(dǎo)等離子體是一種非常重要的寬譜電磁波輻射源,輻射范圍覆蓋真空紫外、紫外、可見、紅外、太赫茲甚至到微波波段[1?6].極紫外光刻技術(shù)[7]、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)[8]、白光雷達(dá)技術(shù)[9]、太赫茲探測技術(shù)[10]、激光探地雷達(dá)技術(shù)[11]以及X射線天文探測技術(shù)[12]都是依賴激光產(chǎn)生等離子體的輻射而發(fā)展的相關(guān)應(yīng)用.這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、電子信息、生命科學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)、大氣與環(huán)境監(jiān)測、通訊雷達(dá)、國家安全與反恐等重要領(lǐng)域.然而,現(xiàn)有的理論和實驗研究主要集中在等離子體的極紫外、紫外、可見、太赫茲和微波輻射,激光等離子體的紅外輻射的相關(guān)實驗和理論研究較少,因此有必要對其特性進(jìn)行研究.

20 世紀(jì) 30 年代,Brackett[13]和 Pfund[14]研究發(fā)現(xiàn)高壓放電誘導(dǎo)氫氣的等離子體在紅外波段存在光譜輻射.而高壓放電誘導(dǎo)氦氣、氙氣等[15,16]氣體激發(fā)產(chǎn)生的等離子體也能產(chǎn)生紅外光譜輻射,并被實驗測量.氮?dú)夂脱鯕庾鳛榈厍虼髿獾闹饕煞?其等離子體的紅外輻射特性也引起研究人員的注意.Saum 等[17,18]研究 0.5—10 Torr (1 Torr=1.33322×102Pa)氣壓條件下放電管中誘導(dǎo)氮?dú)夂脱鯕猱a(chǎn)生的等離子體在1—5 μm波段的紅外光譜.然而,以上這些研究都是在真空放電管中進(jìn)行的,產(chǎn)生的紅外輻射都是放電等離子體輻射的.而放電等離子體和激光等離子體具有較大的差異[19],如放電等離子體的溫度相對激光等離子體來說要低很多,電子密度也小很多.因此這兩種等離子體的輻射特性應(yīng)該會有較大差異.美國的Adamson等[20]發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的空氣等離子體在化學(xué)紅外波段,2100—1700 cm–1(4.76—5.88 μm)具有較強(qiáng)的輻射,甚至比常用于傳統(tǒng)紅外吸收譜測量的glow bar (硅碳棒)還要強(qiáng) 25 倍.他們認(rèn)為激光等離子體產(chǎn)生的紅外輻射可以作為一種新型紅外源用于時間分辨紅外吸收譜測量.而激光等離子體在近紅外波段的輻射特性方面的相關(guān)研究,國內(nèi)外還尚未有相關(guān)報道.所以,開展激光誘導(dǎo)空氣等離子體的近紅外輻射特性方面的研究是十分必要的.

本文針對納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體1100—2400 nm范圍內(nèi)的近紅外輻射特性進(jìn)行研究,研究了脈沖能量對激光空氣等離子體紅外輻射的影響,并對1100—2400 nm范圍內(nèi)的紅外光譜成分進(jìn)行指認(rèn).為研究N原子和O原子躍遷輻射對1128 nm的紅外光譜強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大小,利用二元線性回歸分析了氮?dú)夂脱鯕夂孔兓瘜?128 nm輻射波長的光譜貢獻(xiàn).

2 實驗裝置

納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體近紅外輻射特性的實驗裝置如圖1所示.實驗采用重復(fù)頻率為10 Hz,脈寬為 8 ns,輸出波長為 532 nm 的 Nd:YAG激光器(continuum,Power8000)作為誘導(dǎo)空氣等離子體的激光光源,激光光束直徑為10 mm,激光光束為垂直偏振,最大輸出能量為 300 mJ.實驗中經(jīng)532 nm半波片和格蘭棱鏡組成的能量衰減系統(tǒng)改變誘導(dǎo)空氣等離子體的激光脈沖能量,采用分光束方法,用能量計實時測量誘導(dǎo)空氣等離子體的激光脈沖能量,實驗中激光能量穩(wěn)定性為±1.5%.532 nm激光光束經(jīng)焦距為30 mm的平凸透鏡聚焦擊穿真空腔室內(nèi)的氣體產(chǎn)生等離子體.真空腔中的氣壓變化由機(jī)械泵控制,利用壓阻計測量腔室內(nèi)氣體壓強(qiáng).空氣等離子體的紅外輻射經(jīng)L2和L3 兩個 CaF2透鏡 (f=75 mm)組成的光譜收集系統(tǒng)聚焦在紅外光譜儀的狹縫上,在光譜儀狹縫前放置一個長波通濾光片 (Thorlabs,FEL1100,cuton wavelength 1100 nm)來消除激光散射和等離子體中短波輻射產(chǎn)生的高階衍射對紅外光譜的影響.實驗所用的紅外光譜儀為Czerny-Turner型光柵光譜儀(型號為MS5204i,SOL instruments.Ltd),實驗中入射狹縫和出射狹縫寬度為0.2 mm,光譜分辨率為 8 nm.實驗中使用的光柵為300 lines/mm、閃耀波長1500 nm,在 1100 —2400 nm光譜范圍內(nèi)光柵效率都大于40%.空氣等離子體紅外光譜輻射由一個TEC制冷的PbSe單點(diǎn)探測器 (波長響應(yīng) 1000—4500 nm,Electro-Optical Systems Inc.)進(jìn)行探測.PbSe 單點(diǎn)探測器輸出的光譜信號經(jīng)由門積分平均器Boxcar可獲得時間分辨的等離子體發(fā)射光譜,實驗中Boxcar的采集延時和門寬均固定為15 μs.為了提高信噪比和光譜數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及減小實驗誤差,采集10個脈沖取樣平均.實驗中光譜儀采集得到的光譜相對強(qiáng)度最大值為65535,強(qiáng)度最小可精確到1.文中給出的光譜相對強(qiáng)度值是考慮FEL1100濾光片的透過率以及探測器的光譜響應(yīng)度對實驗采集到的數(shù)據(jù)修正后的結(jié)果.實驗室內(nèi)安裝空氣凈化設(shè)備,所用的空氣取自實驗室的潔凈空氣.

圖1 納秒激光誘導(dǎo)空氣等離子體近紅外輻射實驗裝置Fig.1.Experiment setup for the near infrared emissions from ns laser-induced air plasma.

3 結(jié)果與討論

金屬腔室內(nèi)氣體壓強(qiáng)為80 kPa,不同脈沖能量激光誘導(dǎo)空氣等離子體的1100—2400 nm范圍內(nèi)紅外輻射光譜如圖2所示.由圖2可知,空氣等離子體的紅外光譜由連續(xù)譜和線狀譜兩部分組成,隨著激光能量的增加,空氣等離子體的紅外輻射的連續(xù)譜和線狀譜強(qiáng)度都隨之增強(qiáng).一般而言,激光等離子體的連續(xù)輻射光譜主要來源于電子-離子的復(fù)合輻射、軔致輻射和等離子體熱輻射.隨著激光等離子體的向外快速膨脹,復(fù)合輻射和軔致輻射均會隨著等離子體的溫度降低快速減弱,一般只能持續(xù)百納秒到幾個微秒的時間[21,22].圖2中的空氣等離子體紅外光譜為激光作用后15 μs獲得的,因此復(fù)合輻射和軔致輻射對連續(xù)譜的貢獻(xiàn)已經(jīng)很小了,可以忽略,因此空氣等離子體紅外輻射光譜中連續(xù)譜主要來源于等離子體的熱輻射貢獻(xiàn).

圖2 不同能量下激光誘導(dǎo)空氣等離子體在激光作用 15 μs后測到的紅外輻射光譜Fig.2.IR emissions of laser-induced air plasma varied with laser energy after 15 μs delay time.

圖3為入射激光能量為300 mJ,光譜采集延時和門寬均為 15 μs,腔室內(nèi)氣體壓強(qiáng)為 80 kPa條件下,激光誘導(dǎo)空氣和氮?dú)獾入x子體的紅外輻射光譜.從圖3可看出,在相同的實驗條件下,納秒激光誘導(dǎo)的空氣與氮?dú)獾入x子體紅外輻射光譜均由線狀光譜(原子光譜)和分子光譜帶疊加在連續(xù)光譜上組成,且原子光譜和分子光譜的波長位置均相同,但空氣等離子體紅外輻射光譜強(qiáng)度整體上均高于氮?dú)獾入x子體.空氣和氮?dú)獾牡入x子體紅外輻射光譜存在如下幾點(diǎn)不同:1)利用普朗克公式,其中 Mbλ為光譜輻射出射度,T 為溫度,c 為光速,h 為普朗克常數(shù),kB為玻爾茲曼常數(shù).將實驗獲得的光譜數(shù)據(jù)基于普朗克公式進(jìn)行光譜輻射擬合,可得到等離子體溫度.基于輻射定律對等離子體溫度進(jìn)行擬合計算得到空氣等離子體溫度為 (3900 ± 20) K,而氮?dú)獾入x子體溫度為 (3600 ± 10) K;2)比較波長 1128 nm 處等離子體紅外光譜強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)氮?dú)獾入x子體低于空氣等離子體.結(jié)果表明空氣等離子體的1128 nm紅外輻射由N原子和O原子的共同貢獻(xiàn).根據(jù)NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫(National Institute of Standards and Technology Atomic Spectra Database)對圖3中的激光誘導(dǎo)空氣等離子體紅外輻射光譜進(jìn)行光譜指認(rèn),空氣等離子體紅外輻射中的分立線譜 (如 1128,1246,1358,1475,1558 nm)來源于N和O的原子躍遷產(chǎn)生的,原子光譜的指認(rèn)信息如表1所示;帶狀光譜來源于氮?dú)獾姆肿诱駝榆S遷產(chǎn)生,波長為 1750 nm 和波長 2252 nm 寬帶輻射分別來源于氮分子的振動能級B3Πg-A3Σu1-4 band[23]和 W3Δu-B3Πg3-0 band[24].由于實驗用的紅外光譜儀的入射和出射狹縫寬度都為0.2 mm,遠(yuǎn)大于原子光譜測量的最優(yōu)狹縫寬度,并且光譜儀的分辨率約為8 nm,因此實驗測量得到的單個譜峰內(nèi)可能包含多個光譜成分.如波長為1128,1246,1358 nm 的譜峰就可能包含多個光譜成分.Saum等[17,18]在放電管中研究氮?dú)夂脱鯕獾募t外光譜也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象.

圖3 80 kPa 氣壓下激光誘導(dǎo)空氣和氮?dú)獾入x子體紅外輻射光譜Fig.3.IR emissions of laser-induced air and N2 plasma under 80 kPa.

表1 氮原子和氧原子的紅外光譜指認(rèn)Table 1.Identification of the observed emission lines of NI and OI.

實驗探測的空氣等離子體輻射波長為1128 nm的紅外光譜可能由N原子和O原子躍遷輻射譜線疊加而成,因此有必要探討N原子和O原子躍遷輻射對1128 nm的紅外光譜強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行評估.我們固定真空腔室內(nèi)氣體總壓強(qiáng)為80 kPa,改變腔室內(nèi)氧氣和氮?dú)獾膲簭?qiáng) PO2:PN2分別為16 kPa∶64 kPa,13.33 kPa∶66.67 kPa,11.43 kPa∶68.57 kPa,10 kPa∶70 kPa,測得不同壓強(qiáng)比的氧氣和氮?dú)饣旌蠚怏w激光誘導(dǎo)等離子體的紅外輻射如圖4所示.從圖4可知,改變腔室內(nèi)氧氣和氮?dú)獾臍怏w壓強(qiáng)比例,只有波長1128 nm附近的強(qiáng)度有明顯變化.

基于二元線性回歸分析方法,分析N原子和O原子輻射對1128 nm的紅外光譜的貢獻(xiàn).腔室內(nèi)氣體組分氣體壓強(qiáng)變量 PO2=[16.00,13.33,11.43,10.00],PN2=[64.00,66.67,68.57,70.00]來表示.對于理想氣體的混合氣體,由道爾頓定律可知,組分氣體的容積百分?jǐn)?shù) VO2/V=PO2/P,VN2/V=PN2/P,金屬腔體體積為 V=141 L(真空腔尺寸:直徑為 600 mm,高為 500 mm).腔內(nèi)氧氣和氮?dú)鈿怏w組分含量分別為C1和C2,因此

實驗測量 1128 nm處的光譜相對強(qiáng)度 y={167300,153326,146521,137718}.利用二元線性回歸法對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合結(jié)果如圖5所示,得到1128 nm光譜強(qiáng)度與氧氣和氮?dú)鈿怏w組分含量關(guān)系式為 y=2350.8C1+512.70C2,相關(guān)系數(shù) R2=0.99,R2值接近于1,說明二元線性回歸法用來分析氧氣和氮?dú)鈿怏w組分含量對1128 nm光譜的貢獻(xiàn)是可行的.由二元線性回歸法結(jié)果可知,C1的系數(shù)較大,表明混合氣體中O原子輻射對光譜1128 nm的貢獻(xiàn)大于N原子輻射.

圖4 O2和N2氣體不同壓強(qiáng)比的激光誘導(dǎo)等離子體紅外輻射光譜Fig.4.IR emissions of laser-induced plasma of mixed gas with different pressure.

圖5 二元線性回歸分析結(jié)果Fig.5.The fitting result of binary linear regression analysis.

腔室內(nèi)氣體主要由氮?dú)夂脱鯕饨M成,在高功率密度的納秒激光場作用下,氮?dú)夥肿雍脱鯕夥肿影l(fā)生電離/解離過程[25]:

氮?dú)夥肿雍脱鯕夥肿拥碾婋x勢分別為15.6 eV和 12.1 eV.在相同的激光場作用下,激光作用區(qū)域內(nèi)的O2分子將比N2分子更容易被電離/解離.因此,腔室內(nèi)氧氣分子的含量變化對1128 nm光譜輻射強(qiáng)度變化影響較大.由于腔室內(nèi)氮?dú)獾暮窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣,在實驗中的激光條件下,激光電離的氮?dú)夂孔兓淮?而且氧原子在其他輻射波長沒有貢獻(xiàn),因此,紅外光譜其他部分隨著氮?dú)庋鯕饨M分含量改變變化不大.實驗中光譜采集延時為激光作用后 15 μs,因此中心波長 1128 nm 光譜輻射既有來源于激光作用時電離/解離產(chǎn)生的原子輻射,也有來源于一價離子和電子的復(fù)合(N++e→N,O++e→O)產(chǎn)生的原子輻射.

O原子輻射對光譜1128 nm的貢獻(xiàn)大于N原子輻射的,可以從以下幾個方面來理解:首先,從電離難易程度來看,氧分子的電離勢小于氮分子,激光作用區(qū)域內(nèi)的O2分子將比N2分子更容易被電離/解離;其次,從譜線輻射貢獻(xiàn)能力的角度來看,中性氧原子 O I在 1128 nm附近比中性氮原子N I存在更多的輻射譜線,且躍遷幾率均大于中性氮原子的躍遷幾率,如表1所列.

最后,對二元線性回歸擬合公式的適用性進(jìn)行驗證,在激光能量為 300 mJ、延時和門寬均為 15 μs條件下,分析20—80 kPa壓強(qiáng)下激光誘導(dǎo)空氣等離子體輻射波長為1128 nm的光譜強(qiáng)度實驗值與預(yù)測值,相對誤差定義為:|預(yù)測值–實驗值|/實驗值,數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表2所列.

表2 波長 1128 nm 紅外光譜強(qiáng)度擬合公式預(yù)測值與實驗值對比Table 2.Comparison between predicted value and experimental value of the intensity of 1128 nm.

由表2可知,基于二元線性回歸在氣壓為30—80 kPa范圍內(nèi)能較好的預(yù)測空氣等離子體輻射在波長1128 nm處光譜強(qiáng)度,相對誤差均小于12.6%.但在氣壓為 20 kPa 時 1128 nm 光譜強(qiáng)度預(yù)測值與實驗值存在較大偏差,相對誤差達(dá)到51.8%.這是因為激光在電離氮?dú)夂脱鯕獾倪^程中產(chǎn)生的中間物之間可能發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)[26],導(dǎo)致最終產(chǎn)生的氮原子與氧原子與氮?dú)夂脱鯕獾呢暙I(xiàn)能力存在一定偏差.

4 結(jié) 論

開展了波長532 nm納秒激光誘導(dǎo)大氣等離子體紅外輻射特性的研究,空氣等離子體的紅外輻射光譜由連續(xù)譜和線狀譜組成.線譜主要來源于N,O原子光譜和氮分子的振動光譜,而連續(xù)譜主要來源于等離子體的熱輻射.基于黑體輻射定律得到空氣等離子體的溫度為3900 K,高于氮?dú)獾入x子體溫度3600 K.N原子和O原子躍遷輻射對中心波長為1128 nm的紅外光譜強(qiáng)度均有貢獻(xiàn),二元線性回歸分析表明氧原子輻射對1128 nm光譜輻射貢獻(xiàn)較大.本文的工作對于人們深刻理解和掌握激光與物質(zhì)相互作用的物理規(guī)律及機(jī)制具有重要意義.