蔡鵬程，閆 佳，孔 鵬，張衛(wèi)國，龐 瀾，惠 進，蔡紅星

（1.西安應用光學研究所，陜西 西安 710065；2.軍事代表局駐西安地區(qū)第八軍事代表室，陜西 西安 710065；3.長春理工大學 物理學院，吉林 長春 130022）

引言

氮化硅陶瓷（Si3N4）具有良好的力學性能、熱穩(wěn)定性、低介電損耗和高耐沖蝕性，是一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，在運載火箭、飛船、導彈及返回衛(wèi)星等領(lǐng)域中得到廣泛應用[1-3]。激光武器打擊速度快、精度高、效費比高，作為這些高超聲速目標的主要攔截和打擊手段之一，開展激光與氮化硅陶瓷相互作用光譜研究是至關(guān)重要的[4-7]。激光與目標相互作用過程產(chǎn)生強烈的等離子體閃光，光譜中包含有豐富的物理化學信息。線狀特征譜線可用于目標的種類識別、材質(zhì)分析和損傷位置判斷[8]。同時等離子體中電子溫度、電子密度和電子振蕩頻率參數(shù)是高超聲速飛行器探測及其外層熱防護材料選擇的重要物理參數(shù)[9]，光譜法是診斷這些參數(shù)的有效手段[10]。

Chen Minhao 等[11]研究了激光損傷過程中目標識別技術(shù)，采集激光輻照鋼板、碳纖維、環(huán)氧樹脂發(fā)射光譜，利用支持向量機的方法對等離子體特征譜線進行了分類識別，目標材質(zhì)識別速度和準確率得到了大幅提高。M A Hafez 等[12]研究了335 nm 紫外激光與Cu 靶相互作用光譜，利用等離子體特征光譜和電子探針探測計算得到距離靶面不同位置處的電子溫度和電子密度值。Alessandro De Giacomo 等[13]研究了激光與鈦靶材相互作用特征光譜，討論了不同延遲時間下等離子體中電子密度變化特性。Sidra Khan 等[14]研究了環(huán)境壓力對YAG 激光燒蝕鉭等離子體光譜電子溫度和電子密度的影響。Ye Ying 等[15]基于偏振光譜技術(shù)對激光輻照復合陶瓷材料的損傷過程進行了實時觀測。

目前對于納秒激光輻照氮化硅陶瓷等離子體光譜參數(shù)的全面研究尚未見到。本文搭建了激光與氮化硅陶瓷靶材相互作用實驗系統(tǒng)，采集激光作用過程輻射光譜，對特征譜線進行了指認?；诠柙雍碗x子線狀特征譜線計算了不同注入激光能量下的等離子體參數(shù)，指認結(jié)果可為目標材質(zhì)識別和毀傷部位判斷提供參考，計算結(jié)果可為高超聲速飛行器的探測及其表面熱防護材料的選擇提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 實驗原理

激光輻照氮化硅靶材，材料吸熱后溫度迅速升高，達到熔點后熔化蒸發(fā)，蒸汽中的粒子吸收激光能量，通過多光子電離產(chǎn)生等離子體，高溫高壓等離子體向外膨脹噴出，產(chǎn)生閃光，光譜儀采集閃光光譜即可得到發(fā)射光譜信息。線狀特征譜線是受激光能量作用處于高能級的激發(fā)態(tài)氮化硅材料原子和離子，向低能態(tài)躍遷時輻射產(chǎn)生，如（1）式所示[16]：

式中：λ為線狀特征譜線中心波長；h為普朗克常數(shù)；c為光在真空中的傳播速度；Ep為高能級能量；Eq為低能級能量。

2 測量裝置組成

測試系統(tǒng)如圖1 所示。采用Nd3+:YAG 固體脈沖激光器輸出激光波長1 064 nm、脈寬15 ns、頻率1 Hz，能量可調(diào)。靶材樣品選用規(guī)格為25 mm×25 mm×3 mm 的熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷，參數(shù)如表1所示。光譜儀選用EM5000 中階梯光柵光譜儀，光譜波段200 nm～900 nm，光譜分辨率0.1 nm。激光束經(jīng)衰減器精確控制入射到靶面的激光能量，會聚的激光束通過分束器1 和分束器2 確定入射到靶面的激光能量和用于實時監(jiān)測的激光能量比例。測試時通過調(diào)整三維移動平臺來確定透鏡與靶材之間的位置，并通過能量計和示波器實時監(jiān)測激光能量和脈寬，以50 mJ 為能量間隔，在50 mJ～500 mJ 間依次選取10 個能量梯度對靶材進行輻照。光譜儀探頭位置采用半導體激光器準直，調(diào)整探頭位置使探頭輸出的準直激光與輻照強激光作用在靶材上的會聚點重合，確保探測區(qū)域為激光輻照區(qū)，激光與靶材相互作用過程產(chǎn)生的光譜信息，由會聚透鏡收集經(jīng)光纖傳入光譜儀EM5000，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由計算機進行分析處理。

圖 1 激光輻照氮化硅陶瓷測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device for silicon nitride ceramics irradiated by laser

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 測量結(jié)果

采集脈沖激光在50 mJ～500 mJ 能量下作用氮化硅陶瓷輻射光譜，預處理后光譜如圖2 所示。呈現(xiàn)為連續(xù)譜上疊加有豐富的線狀特征譜線，隨激光能量的增加譜線強度上升，中心波長保持一致。激光能量500 mJ 光譜指認結(jié)果展示如圖3 所示。由于譜線分布比較密集，將圖3(a)中波長200 nm～350 nm 譜線展開如圖3(b)、3(c)所示。根據(jù)NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫指認主要為硅、氧、氮原子和離子的特征譜線，說明靶材中硅原子已經(jīng)電離，氧元素和部分氮元素特征譜線來自空氣電離。不同原子、離子上下能級能量存在差異，躍遷幾率不同，元素含量不同，躍遷產(chǎn)生譜線的中心波長和強度不同，242 nm～254 nm 波段光譜主要集中為硅原子特征譜線，等離子體特征譜線強度較高的主要分布在700 nm～800 nm 波段，其中部分光譜參數(shù)如表2 所示。第1 列是原子與離子的不同電離態(tài)，第3 列是躍遷幾率和統(tǒng)計權(quán)重的乘積，主要用于光譜計算。

表 1 氮化硅陶瓷物理特性Table 1 Physical properties of silicon nitride ceramics

圖 2 激光能量50 mJ～500 mJ 輻照氮化硅陶瓷光譜圖Fig.2 Spectrogram of irradiated silicon nitride ceramics with laser energy of 50 mJ～500 mJ

圖 3 激光能量500 mJ 輻照氮化硅陶瓷光譜圖Fig.3 Spectrogram of irradiated silicon nitride ceramics with laser energy of 500 mJ

表 2 激光輻照氮化硅陶瓷光譜參數(shù)Table 2 Spectral parameters of silicon nitride ceramics irradiated by laser

光譜計算時主要用到譜線中心波長、相對強度和半高寬參數(shù)，波長和強度參數(shù)可直接在光譜圖中提取。激光與氮化硅陶瓷作用過程譜線線寬主要受到Stark 展寬的影響，線型符合Lorentz 線型。利用Lorentz 函數(shù)擬合激光能量500 mJ 時，Si I 288.2 nm 譜線如圖4 所示，黑色線為實測結(jié)果，紅色曲線為擬合結(jié)果，半高寬為 0.12 nm。

圖 4 Si I 288.2 nm 譜線洛倫茲擬合Fig.4 Lorentz fitting of Si I(288.2 nm)spectral line

3.2 電子溫度計算

根據(jù)原子發(fā)射光譜理論，受激原子從高能級向低能級躍遷時，將以光的形式輻射出能量，產(chǎn)生特定的原子光譜。同種原子或者離子的2 條光譜線在局部熱力學平衡狀態(tài)（LTE）下，其輻射強度比值滿足（2）式：

式中：I1和I2分別為2 條譜線的發(fā)射光譜強度；A1和A2為躍遷概率；g1和g2為統(tǒng)計權(quán)重；λ1和 λ2為2 條譜線的波長；E1和E2為2 條譜線激發(fā)態(tài)能量；k為波爾茲曼常數(shù)；Te為等離子體電子溫度[17]。（2）式變形為（3）式后，-1kTe為斜率，等式兩邊其他參數(shù)已知，根據(jù)斜率值帶入玻爾茲曼常數(shù)即可求出電子溫度。

選用硅離子Si III 324.29 nm、Si III 396.23 nm 和Si III 437.61 nm 3 條特征譜線，根據(jù)玻爾茲曼斜線法計算得到不同激光能量下電子溫度值如圖5 所示。電子溫度值整體呈上升趨勢，這是由于注入激光能量的增加，等離子體中電子運動加劇，50 mJ時等離子體溫度最低值為6 203 K，激光能量400 mJ時電子溫度值達到最大值6 827 K。

圖 5 不同激光能量下等離子體電子溫度計算結(jié)果Fig.5 Calculation results of plasma electron temperature at different laser energies

3.3 電子密度計算

同時等離子體中發(fā)射原子受到周圍運動電子和離子的電場作用，引起的譜線展寬為Stark 展寬，展寬線型為Lorentz 線型。利用發(fā)射光譜法對電子密度進行診斷，即利用譜線的 Stark 展寬量來計算等離子體的電子密度：

式中：Δλ1/2為譜線半高全寬；ne為電子密度；nd為德拜球內(nèi)粒子數(shù)，；w是電子碰撞參數(shù)；A為離子碰撞參數(shù)。由于離子質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量，電子運動速度遠大于離子運動速度，因此，可以忽略離子項的貢獻，將（4）式簡化為[18]

選擇來自靶材元素的硅原子Si I 288.2 nm 典型特征譜線，利用Lorentz 函數(shù)擬合特征譜線得到譜線的半高全寬，電子碰撞展寬參數(shù)由文獻[19]可知wsiI288.2nm=0.054，根據(jù)Stark 展寬公式計算得到等離子體電子密度如圖6 所示。結(jié)果存在波動可能是由于激光作用靶材過程中等離子體噴濺物影響，激光能量200 mJ 時電子密度最小值為8.40×1015cm-3，250 mJ 時達到最大值1.14×1016cm-3。

圖 6 不同激光能量下等離子體電子密度計算結(jié)果Fig.6 Calculation results of plasma electron density at different laser energies

3.4 電子振蕩頻率計算

等離子體中電子運動滿足：

式中：ne為電子密度；e 為電子電量（e=1.602×10-19C）；me為電子質(zhì)量（me=9.109×10-31kg）；εo為真空介電常數(shù)（εo=8.854×10-12F/m）[20]。

電子振蕩角頻率可表示為

等離子體中自由電子在做朗繆爾振蕩，與等離子體電子密度密切相關(guān)，根據(jù)(7)式計算得到等離子體中電子振蕩頻率，式中 ω為角頻率轉(zhuǎn)化為頻率結(jié)果，如圖7 所示。電子振蕩頻率與電子密度值成正比，隨著激光能量的增加，其變化規(guī)律與電子密度一致，激光能量200 mJ 時最小值為8.23×1011Hz，250 mJ 達到最大值9.58×1011Hz。

圖 7 不同激光能量下等離子體電子振蕩頻率計算結(jié)果Fig.7 Calculation results of plasma electron oscillation frequencies at different laser energies

4 結(jié)論

針對航空航天領(lǐng)域常用的氮化硅陶瓷材料，設(shè)計搭建了激光與陶瓷相互作用試驗系統(tǒng)。利用光譜儀測量了不同激光能量輻照氮化硅陶瓷輻射光譜。經(jīng)指認選擇硅原子和離子線狀特征光譜曲線，計算得到了不同激光能量下，等離子體電子密度、電子溫度和電子振蕩頻率值。電子溫度隨著激光能量的增加整體呈上升趨勢，這是由于注入到靶面激光能量增加引起等離子體中電子運動加劇。電子密度與電子振蕩頻率值變化規(guī)律一致，存在波動可能是由于激光與陶瓷靶材作用過程中產(chǎn)生噴濺物影響。這些結(jié)果可為激光毀傷中材質(zhì)識別和損傷位置判定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時為氮化硅陶瓷材料特性研究提供參考。