利用Nd: YAG 脈沖激光在空氣中燒蝕Cu 靶，產(chǎn)生激光等離子體羽，通過改變離焦量獲得相應(yīng)的等離子體的空間譜;用光譜學(xué)方法分析了三種離焦量下空間譜線結(jié)構(gòu)和空間等離子體的電子溫度演化規(guī)律;并對等離子體光譜的特性和產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了討論。結(jié)果表明：離焦量對等離子體的譜線強(qiáng)度、譜線結(jié)構(gòu)、電子溫度的空間特性都有影響，特征譜強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在空間位置1.0mm 附近，離焦量為-2mm 時(shí)電子溫度最高。

　　自1960 年激光誕生以來，它憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠?qū)⒛芰吭诔�短的時(shí)間和特定的空間完成與物質(zhì)的作用，已經(jīng)在氣體、液體、復(fù)合材料、金屬和半導(dǎo)體等材料表面和內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了加工、打孔、光刻、雕刻、表面改性、淬火和打標(biāo)等形式，為制備各種結(jié)構(gòu)和功能性材料以及在全息模擬、激光武器、激光醫(yī)療、生物工程等方面取得新的進(jìn)展，引起了研究人員的高度關(guān)注和研究興趣。激光作用到物質(zhì)表面容易形成高密度等離子體，其形成機(jī)制比較復(fù)雜，涉及很多動(dòng)力學(xué)過程，直接觀測相對困難，而用發(fā)射光譜法就可以避免探測的困難，這種方法具有分析時(shí)間短、靈敏度高、處理簡單、可遠(yuǎn)程測量等優(yōu)點(diǎn)，而且對分析樣品具有極小的損壞性，又可以用來探測等離子體內(nèi)部的特征信息，已經(jīng)在真空鍍膜、元素的痕量微區(qū)分析、醫(yī)療衛(wèi)生、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、文物保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。激光等離子體的光譜特性又與各種測量有關(guān)，比如激光的波長、功率、脈寬、能量閾值、靶材、聚焦位置、環(huán)境氣體、真空度等，而實(shí)驗(yàn)環(huán)境一般在大氣中完成，所以分析在大氣中通過改變離焦量研究激光等離子體的特性具有實(shí)際意義。本文采用1064 nm的YAG 脈沖激光,通過變換激光離焦量，用光譜學(xué)方法研究在空氣中激光誘導(dǎo)銅靶所產(chǎn)生的相應(yīng)空間等離子體的特性，并從光譜學(xué)診斷的角度對等離子體特性做了進(jìn)一步的研究分析。

1、實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示,實(shí)驗(yàn)儀器是由美國光譜物理公司生產(chǎn)的，脈寬為10 ns、中心波長為1064 nm 的Nd：YAG 激光器，激光脈沖由可微調(diào)的石英透鏡會聚在經(jīng)常規(guī)處理的直徑為30 mm，厚度為1.5 mm Cu 靶(材料純度大于99.9%)，在空氣中激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體羽透過焦距為15 mm 透鏡等大成像在與透鏡平行放置的單色儀的入射狹縫面上，透鏡距被探測的等離子體羽位置和狹縫位置相同。為了避免激光作用于一個(gè)位置形成燒蝕坑對光譜的影響，特意把Cu 靶置于由絕緣材料制作的襯架上，襯架在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞軸勻速旋轉(zhuǎn)，從采集的光譜信號的變化分析，靶面的抖動(dòng)可以忽略。實(shí)驗(yàn)選用600/mm 的光柵，水平調(diào)節(jié)狹縫的位置，沿垂直等離子體的方向采集光譜信號，采集距靶面不同距離處等離子體羽的空間分辨譜，入射光線經(jīng)光柵色散，再由光學(xué)多道探頭(由1024 個(gè)光電二極管陣列組成)接收光信號，信息再經(jīng)探頭送到OMA 光學(xué)多道分析儀，光信號由光電轉(zhuǎn)換后送至控制處理系統(tǒng)，最后在計(jì)算機(jī)可以輸出光譜信息。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

　　2.1、等離子體發(fā)射譜

　　我們測量了300 nm~600 nm 范圍內(nèi)激光燒蝕銅產(chǎn)生的等離子體特征譜線，如圖2 所示，可以看出，450 nm~550 nm 范圍內(nèi)銅等離子體特征譜線比較明顯，而且有明顯的NII 特征譜線出現(xiàn)在圖譜中，這說明空氣對激光誘導(dǎo)銅等離子體的影響不容忽略。為了查看空氣對激光誘導(dǎo)銅等離子體的影響，本實(shí)驗(yàn)嘗試通過改變離焦量的方式研究激光誘導(dǎo)等離子體的光譜線的變化，觀測其光譜特性。在大氣環(huán)境下實(shí)驗(yàn)中采用400 mJ/pulse 的激光作用于銅靶，選取460 nm~530 nm 可見光波段范圍，從光譜學(xué)角度通過改變離焦量的情況下分析激光誘導(dǎo)銅等離子體所受的影響，如圖3 所示。等離子體光譜主要由連續(xù)譜和特征譜組成，其主要的特征譜線有465.11 nm 和譜線強(qiáng)度相對較強(qiáng)的510.55 nm、515.32 nm、521.82 nm、529.25 nm的銅原子譜線以及以500.52 nm 為代表的N 離子譜線，這些譜線是原子與離子的躍遷產(chǎn)生的。較強(qiáng)的連續(xù)譜是由電子與原子和離子的劇烈碰撞及自由電子與離子的復(fù)合輻射產(chǎn)生。

圖2 在空氣中300nm~600nm 激光誘導(dǎo)的Cu 等離子體特征譜線圖

圖3 Cu 等離子體光譜

　　2.2、等離子體空間分辨譜

圖4 不同離焦量下激光誘導(dǎo)Cu 等離子體空間光譜圖

　　2.3、等離子體電子溫度空間分布

　　利用多譜線法由圖4 中的光譜信息，計(jì)算出相應(yīng)的電子溫度，得到離焦量分別為1 mm、0 mm、-2 mm 時(shí)空間電子溫度分布圖，如圖5 所示。從圖中可以看出隨著離焦量的減小，相同空間位置處電子溫度反而增加，隨著空間位置的增大，相同離焦量等離子體的電子溫度基本上是逐漸減小，只有離焦量為1 mm 時(shí)電子溫度在1.0 mm 處電子溫度最低，此處亦是激光聚的位置。在空間位置為1.75 mm 附近電子溫度數(shù)值基本相同。激光傳播的過程也是能量的傳遞過程，從幾何關(guān)系很容易推測激光聚焦的位置也是能量密度最大的位置，相應(yīng)的電子溫度應(yīng)該是最高，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是離焦量為-2 mm 時(shí)電子溫度最高。激光聚焦于靶面時(shí)，能量分布不均勻，激光作用于靶面有一段離焦量的時(shí)候，激光能量功率分布與聚焦于靶面相比相對均勻，離焦量大于零電子溫度相對較低，小于零時(shí)，電子溫度相對較高。

圖5 離焦量分別為a=-2mm、b=0mm、c=1mm 時(shí)電子溫度的空間演化

3、結(jié)論

　　利用YAG 脈沖激光在空氣中燒蝕金屬Cu靶誘導(dǎo)等離子體，通過改變離焦量，用光譜學(xué)方法分析了等離子體光譜空間特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空氣中激光誘導(dǎo)銅等離子體光譜的特征譜線主要由氮離子線、銅原子線組成;有離焦量的時(shí)候，激光能量功率相對于聚焦于靶面時(shí)分布相對均勻，離焦量為1 mm 時(shí)電子溫度較低;離焦量為-2 mm 時(shí)CuⅠ相對強(qiáng)度較強(qiáng)，電子溫度最高;離焦量為零時(shí)，相對強(qiáng)度較弱。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于激光加工工藝和真空鍍膜有一定的啟示作用。