离焦量对空气中YAG激光诱导Cu等离子体空间特性的影响

　　利用Nd: YAG 脉冲激光在空气中烧蚀Cu 靶，产生激光等离子体羽，通过改变离焦量获得相应的等离子体的空间谱;用光谱学方法分析了三种离焦量下空间谱线结构和空间等离子体的电子温度演化规律;并对等离子体光谱的特性和产生机制进行了讨论。结果表明：离焦量对等离子体的谱线强度、谱线结构、电子温度的空间特性都有影响，特征谱强度最大值出现在空间位置1.0mm 附近，离焦量为-2mm 时电子温度最高。

　　自1960 年激光诞生以来，它凭借其独特的优势，能够将能量在超短的时间和特定的空间完成与物质的作用，已经在气体、液体、复合材料、金属和半导体等材料表面和内部实现了加工、打孔、光刻、雕刻、表面改性、淬火和打标等形式，为制备各种结构和功能性材料以及在全息模拟、激光武器、激光医疗、生物工程等方面取得新的进展，引起了研究人员的高度关注和研究兴趣。激光作用到物质表面容易形成高密度等离子体，其形成机制比较复杂，涉及很多动力学过程，直接观测相对困难，而用发射光谱法就可以避免探测的困难，这种方法具有分析时间短、灵敏度高、处理简单、可远程测量等优点，而且对分析样品具有极小的损坏性，又可以用来探测等离子体内部的特征信息，已经在真空镀膜、元素的痕量微区分析、医疗卫生、国家安全、环境监测、文物保护等各个领域得到成功应用。激光等离子体的光谱特性又与各种测量有关，比如激光的波长、功率、脉宽、能量阈值、靶材、聚焦位置、环境气体、真空度等，而实验环境一般在大气中完成，所以分析在大气中通过改变离焦量研究激光等离子体的特性具有实际意义。本文采用1064 nm的YAG 脉冲激光,通过变换激光离焦量，用光谱学方法研究在空气中激光诱导铜靶所产生的相应空间等离子体的特性，并从光谱学诊断的角度对等离子体特性做了进一步的研究分析。

1、实验装置

图1 实验装置示意

　　实验装置如图1 所示,实验仪器是由美国光谱物理公司生产的，脉宽为10 ns、中心波长为1064 nm 的Nd：YAG 激光器，激光脉冲由可微调的石英透镜会聚在经常规处理的直径为30 mm，厚度为1.5 mm Cu 靶(材料纯度大于99.9%)，在空气中激光诱导产生的等离子体羽透过焦距为15 mm 透镜等大成像在与透镜平行放置的单色仪的入射狭缝面上，透镜距被探测的等离子体羽位置和狭缝位置相同。为了避免激光作用于一个位置形成烧蚀坑对光谱的影响，特意把Cu 靶置于由绝缘材料制作的衬架上，衬架在步进电机的驱动下绕轴匀速旋转，从采集的光谱信号的变化分析，靶面的抖动可以忽略。实验选用600/mm 的光栅，水平调节狭缝的位置，沿垂直等离子体的方向采集光谱信号，采集距靶面不同距离处等离子体羽的空间分辨谱，入射光线经光栅色散，再由光学多道探头(由1024 个光电二极管阵列组成)接收光信号，信息再经探头送到OMA 光学多道分析仪，光信号由光电转换后送至控制处理系统，最后在计算机可以输出光谱信息。

2、实验结果和讨论

　　2.1、等离子体发射谱

　　我们测量了300 nm~600 nm 范围内激光烧蚀铜产生的等离子体特征谱线，如图2 所示，可以看出，450 nm~550 nm 范围内铜等离子体特征谱线比较明显，而且有明显的NII 特征谱线出现在图谱中，这说明空气对激光诱导铜等离子体的影响不容忽略。为了查看空气对激光诱导铜等离子体的影响，本实验尝试通过改变离焦量的方式研究激光诱导等离子体的光谱线的变化，观测其光谱特性。在大气环境下实验中采用400 mJ/pulse 的激光作用于铜靶，选取460 nm~530 nm 可见光波段范围，从光谱学角度通过改变离焦量的情况下分析激光诱导铜等离子体所受的影响，如图3 所示。等离子体光谱主要由连续谱和特征谱组成，其主要的特征谱线有465.11 nm 和谱线强度相对较强的510.55 nm、515.32 nm、521.82 nm、529.25 nm的铜原子谱线以及以500.52 nm 为代表的N 离子谱线，这些谱线是原子与离子的跃迁产生的。较强的连续谱是由电子与原子和离子的剧烈碰撞及自由电子与离子的复合辐射产生。

图2 在空气中300nm~600nm 激光诱导的Cu 等离子体特征谱线图

图3 Cu 等离子体光谱

　　2.2、等离子体空间分辨谱

图4 不同离焦量下激光诱导Cu 等离子体空间光谱图

　　2.3、等离子体电子温度空间分布

　　利用多谱线法由图4 中的光谱信息，计算出相应的电子温度，得到离焦量分别为1 mm、0 mm、-2 mm 时空间电子温度分布图，如图5 所示。从图中可以看出随着离焦量的减小，相同空间位置处电子温度反而增加，随着空间位置的增大，相同离焦量等离子体的电子温度基本上是逐渐减小，只有离焦量为1 mm 时电子温度在1.0 mm 处电子温度最低，此处亦是激光聚的位置。在空间位置为1.75 mm 附近电子温度数值基本相同。激光传播的过程也是能量的传递过程，从几何关系很容易推测激光聚焦的位置也是能量密度最大的位置，相应的电子温度应该是最高，但是实验结果却是离焦量为-2 mm 时电子温度最高。激光聚焦于靶面时，能量分布不均匀，激光作用于靶面有一段离焦量的时候，激光能量功率分布与聚焦于靶面相比相对均匀，离焦量大于零电子温度相对较低，小于零时，电子温度相对较高。

图5 离焦量分别为a=-2mm、b=0mm、c=1mm 时电子温度的空间演化

3、结论

　　利用YAG 脉冲激光在空气中烧蚀金属Cu靶诱导等离子体，通过改变离焦量，用光谱学方法分析了等离子体光谱空间特性。实验结果表明：空气中激光诱导铜等离子体光谱的特征谱线主要由氮离子线、铜原子线组成;有离焦量的时候，激光能量功率相对于聚焦于靶面时分布相对均匀，离焦量为1 mm 时电子温度较低;离焦量为-2 mm 时CuⅠ相对强度较强，电子温度最高;离焦量为零时，相对强度较弱。这些实验结果对于激光加工工艺和真空镀膜有一定的启示作用。