激光诱导Ni等离子体发射光谱的空间演化特性研究

作者:杜传梅;张明旭;徐颖 刊名:原子与分子物理学报 上传者:李倩

【摘要】在350~600 nm波长范围内测定了激光烧蚀Ni等离子体中Ni原子的空间分辨发射光谱.测定了385.83 nm发射光谱线的相对强度和STARK展宽及其随径向的变化特性.结果表明,在沿激光束方向上,当距离靶表面0~2.5 mm范围内变化时,谱线的STARK展宽和谱线的强度都随距靶面距离的增大先增大,但增大到最大值后随距离的进一步增大而减小.谱线强度和STARK加宽的最大值都出现在离靶面约1.5 mm处.

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1引言在众多的研究手段中,等离子体发射光谱诊断技术以其操作简洁,对等离子体无干扰等特点而被人们广泛应用.人们利用这一技术已经给出了许多等离子体的有关信息:如等离子体的产生机制(包括击穿,激光自持燃烧及爆轰等过程)及其热力学特性(电子密度,激发温度及宏观膨胀等)[l,2.对等离子体时间空间分辨光谱的测量,可获得等离子原子与分子物理学报第29卷体中不同组分及其状态的演化特征,有助于人们了解等离子体羽的形成和膨胀规律,反映了处于激发态的原子、离子的状态变化,它们对了解烧蚀过程中的有关物理化学过程特别重要,也是材料气相沉积中最为关注的内容.虽然对激光诱导等离子体的发射光谱的研究已有很多文献报道,一’,但基本上是基于对激光等离子体发射光谱时间演化特性的研究,对发射光谱线的空间演化特性研究较少.Q.L.Ma等通过时间和空间发射光谱研究了铝等离子体羽与氨气相互作用情况,结果表明在等离子体中心有大量的氢气与铝等离子体羽混合[20.vas-siliaZorba等利用飞秒激光击穿光谱技术分析了钠、钾原子空间发射光谱情况,实现了高空间分辨率元素分析[2l.我们在实验上使用532nm激光烧蚀Ni靶,测定了激光烧蚀Ni等离子体中Ni原子的空间分辨发射光谱.测定了各发射光谱线的相对强度和STARK展宽及其随径向的变化特性.标准镍样品,其中镍元素的含量为99.5%.comPu食er图1实验装置简图Fig.1DiagramoftheexperimentalsetuP2实验实验装置简图于图1所示,烧蚀激光光源为YAG激光(Speetra一Physies,LAB17o一10)的532nm输出,重复频率为10H:,脉宽为7ns,光束直径为6mm,单脉冲激光能量(532nm)在2~300mJ范围内可调.脉冲激光束经焦距为100mm石英透镜聚焦垂直人射在Ni靶表面上,焦点在样品内距离样品表面约2mm,这样可以得到最佳的等离子体发射光谱信号,为了保证每个激光脉冲人射到不同的靶点位置,用慢速旋转电机(lR/min)控制样品做低速转动.样品处于大气环境中.在与激光束垂直且与样品表面平行的方向上,激光等离子体的发射光谱信号经焦距为70mm的组合成像透镜两倍放大成像于单色仪(ACTON,SP一2750)的人射狭缝处,成像透镜置于一精密可调的一维调整架上,在与烧蚀激光束垂直方向上的位置调节精度可达10娜,单色仪的分辨率为。.023nm,入射狭缝宽度为80脚,经过单色仪后的光谱信号由光电倍增管(R376)、Boxcar平均器和计算机完成探测、采集和处理.光电倍增管输出信号同时接人数字存储示波器(TEK46OA)监测,BOXCAR和示波器由YAG激光Q开关同步输出脉冲触发.通过调节BOXCAR取样门的延时,即可以测定激光等离子体形成过程中不同时刻的发射光谱信号.实验中取样门的门宽为60ns,取样次数为30,灵敏度为50mV.实验中使用的样品为AlfaAesar公司提供的3实验结果与讨论3.1原子发射光谱线的测定和归属在有关激光诱导镍等离子体发射光谱动力学的研究中,KeniiKodama小组研究了镍原子发射光谱与激光能量之间的关系[22,当激发能量达到大约5eV时镍原子的谱线强度剧烈增长.Kazuaki等研究了镍离子谱线在不同缓冲气体(氢气和氢气)中的光谱特性嘟,实验结果说明镍离子在两种缓冲气体中的谱线是不一样的.我们重点测定了激光烧蚀Ni靶产生的等离子体中Ni原子在3“~395nm区域的发射光谱,得到了6条谱线并对这些谱线进行了归属.我们以前的实验结果表明,激光诱导Ni等离子体发射光谱线的相对强度在探测

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