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    激光誘導等離子體概述【科研儀器非標】

    2021-05-27 14:37:30

       科研儀器非標利用高功率脈沖激光聚焦于致密介質表面產生等離子體,從20世紀60年代到目前已經受到半個多世紀的關注。

      基于激光誘導等離子體的各種技術也在基礎研究與工業應用的多個方面發揮著重要作用。利用激光等離子體發射光譜定性和定量分析樣品類型和性質,在航天、環境檢測、食品安全等諸多領域 引起廣泛關注,正朝著商業話應用快速發展。

      利用激光誘導等離子體改變介質介電屬性,從而觸發和控制間隙放電特性,在脈沖功率技術以及電力系統安全方面具有重要價值。利用激光燒蝕的薄膜沉積術,在20世紀80年代便成功制備出高溫超導薄膜,之后更是在鐵電材料、復雜氧化物以及巨磁電阻材料的制備上得到了廣泛應用。

      迄今為止,人們研究了多種不同介質的激光誘導等離子體現象,并對其中的擊穿機制進行了不懈的探索。然而隨著上述技術的發展,人們發現對于激光誘導等離子體的認識還相當有限,難以滿足迅速發展的各類應用領域的需求。這一方面源于激光誘導等離子體演化過程本身的復雜性,另一方面又因為其行為特征與多種因素密切相關。目前,誘導等離子體的激光脈沖寬度已覆蓋毫秒、微秒、納秒、皮秒甚至飛秒量級,其能量和功率密度也各不相同,由此導致的等離子體屬性也各有其特殊性,從而其應用領域也各有區別。相對而言,納秒激光誘導等離子體的用較為廣泛。這主要是因為納秒激光一方面較易獲得比長脈沖寬周期激光更高的功率密度;另一方面,其建設和維護成本又遠低于超短脈寬激光。就等離子體本身而言,納秒激光誘導等離子體兼具長脈寬和超短脈寬激光誘導等離子體的部分特性,因此其研究更具有一般性。

      激光誘導等離子體的諸多應用和發展依賴于對其基本性質的深入理解和行為控制。科研儀器非標以大氣環境下的納秒脈沖激光誘導等離子體為例,其典型演化過程如圖所示。

    科研儀器非標 

      其中,入射激光作用期間的激光與物質相互作用,包括激光與靶面相互作用,以及激光與等離子體相互作用,決定了激光誘導等離子體的早期行為,并對其后期演化特性具有關鍵性影響。

      激光入射到靶材表面時,一部分激光被反射,一部分激光被靶材吸收。激光的吸收和反射水平主要取決于材料的表面性質。靶面吸收激光能量,溫度上升,汽化蒸發脫離靶面,對靶面造成不可逆破壞。激光燒蝕進行材料處理和機械加工主要就是利用這一過程。利用激光進行微加工,或制備納米材料的效率依賴于每束入射激光燒蝕完成后從樣品所剝離的材料質量,稱為質量燒蝕率。

      金屬蒸汽繼續吸收激光能量,其電子從原子核剝離,當電離度高于一定閾值時,形成等離子體。等離子體的出現對激光與靶面的作用會產生重要影響。等離子體密度較高時,會對入射激光具有很強的吸收作用,使后續的激光很難到達金屬靶面。等離子體吸收激光使靶面獲得的激光能量減少,就像是在靶和激光之間架起了一道墻,稱為等離子體屏蔽效應。所以激光對靶面的燒蝕率并非會隨著激光功率上升而一直提高,而會在某一點達到飽和,其變化本質是非線性的,具體表現為:當利用激光進行金屬薄膜穿孔試驗時,當激光能量密度較小,隨著激光能量密度的上升,穿透金屬膜的激光發次下降,然而當超過某一激光能量密度閾值后,所需要的激光發次反而明顯提高。科研儀器非標等離子體本身具有很高的溫度和壓力,與靶面之間也會存在復雜的能量交換過程。

      物質被激光聚焦擊穿后,產生的等離子體沿著激光入射時的路徑發展,此時的速度在10km/s~100km/s的量級。等離子體對激光能量的吸收過程也往往發生在等離子體膨脹波的前沿,此時等離子體的膨脹主要是靠吸收激光能量來驅動,稱為激光支持吸收波。隨入射激光功率的不同,激光支持吸收波又可根據入射激光能量的大小再分為激光支持燃燒波和激光支持爆轟波。激光能量較低時,激光能量吸收界面在等離子體前沿,燃燒波以亞聲速逆激光傳播;當激光能量足夠時,等離子自體前端的沖擊波前沿吸收了絕大部分激光能量,爆轟波以超聲速逆激光傳播。

      入射激光在等離子體中的吸收主要可歸因于兩者機制:逆韌致輻射和光電離過程。逆韌致吸收通常是指原子或離子附近的自由電子捕獲光子而獲得更高的能量,期間自由電子和原子(或離子)保持動量守恒。光電離作用則通常發生于易電離氣體混合物。入射激光使等離子體電離度和溫度不斷升高,若等離子體密度達到某一臨界值,入射激光將不能通過等離子體達到樣品表面。這一臨界值與激光波長相關。入射激光作用完成后,科研儀器非標等離子體將進一步向空間傳播,其參數不斷發生變化,并且變化過程與環境氣體密度密切相關。


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