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摘要：近年来，激光诱导等离子体技术在个分析领域得到了广泛地应用。对等离
子体的时间演化特性研究有助于物质成分分析。本文中我们利用Stark展宽方法对等离子体电子密度随等离子体时间演化的变化特性进行了比较研究，并比较分析了谱线的展宽和线移随时间的变化特性。
关键词：等离子体 等离子体温度 电子密度 谱线线移
1. 引言
近年来，随着激光器技术与光谱技术的迅速发展，激光诱导等离子体（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）在其理论和应用方面也有了巨大的发展。强激光击打固体样品使得样品迅速融化蒸发，并随之原子化、离子化，原子和离子被激发到高能级，随之退激发会产生发射光谱。在激光与样品靶作用是一个非常复杂的过程，目前为止还没有一个对其很满意的解释，对其的研究从未停止过。等离子体温度和电子密度是等离子体的两个最重要特征参量，主要依赖于激光强度、激光波长、脉冲宽度、样品靶材的物理和化学特性及其环境气体。在此之前已经有许多工作致力于研究等离子体的时间演化特性和空间演化特性，等离子体的大小形状及其不同材料的击穿阈值[1][2]。
2.实验
图1 实验装置图
实验系统如图3-1所示。首先由Nd:YAG（DCR-3D）激光器发射一束激光用来产生等离子体，这束激光的基准波长为1064 nm，脉冲宽度为8 ns，脉冲激光发射频率为10 Hz。脉冲能量可以根据具体的实验条件连续的调节。每次脉冲的激光能量经过一个半反镜反射后，对反射后的激光束用激光能量计对其能量进行监测，我们试验中激光能量的波动范围大约是0.5-2 %，这么小的能量波动对我们实验所测光谱的影响可以忽略。
激光束经一个焦距为50 mm的聚焦透镜聚焦后照射到靶面，移动透镜与靶面的距离使得他们之间的距离比焦距小2 mm，这样是为了避免激光在烧蚀样品前击穿空气而影响等离子体的稳定性。实验样品则固定在一个三维移动平台上，该平台可以在三个方向移动，在实验中我们利用MC600控制箱调节移动平台的三位移动速度和距离，使得实验样品随着平台不断移动，在试验中我们一般使样品走“弓”字移动路线，这样可以使聚焦后的激光每次都会击打在样品不同的位置，避免了激光多次击打在同一位置而产生深坑从而影响实验的稳定性。利用He-Ne激光器进行准直调节，使得样品靶面平面与光谱仪狭缝方向平行。激光诱导激发产生的等离子体经过一个焦距为100 mm的石英成像透镜，调节使其产生1:1成像后入射到光谱仪狭缝。光谱仪用来对其进行分光并用ICCD（Intensified Charge-Coupled Device）探测不同波长光谱的强度。在此过程中，数字脉冲延迟产生器（DG535）被用来调整激光脉冲和探测器之间时间上的同步，它由Q开关触发并以此为基准信号，等离子体产生与探测器工作之间的延迟时间也由DG535调节。为了监测测量中系统是否始终处于稳定状态，我们用一个数字示波器对信号的波动进行实时监测并记录。为了保证等离子体信号的稳定，调节激光诱导等离子体在光谱仪狭缝上的成像位置时，所有的聚焦透镜和成像透镜全都固定在三维移动平台上同时同向地移动。在我们的实验测量中，等离子体的长度一般大约为3.6 mm，经成像到狭缝的等离子体位置大约为距靶面2 mm处，选择这个位置是因为等离子体这个空间位置处更容易满足于LTE条件。光谱的获取参数设置等都是由电脑软件控制的。
3. 结果与讨论
在本次实验中，我们对纯度为99.9%的纯硅样品了测量，实验中在利用DG535将激光器和光谱仪之间的信号调节同步后，用Nd：YAG激光器发射脉冲激光, 并将激光脉冲频率设为10 Hz,调节聚焦透镜使得激光聚焦后击打在Si靶材，并调节成像透镜使得等离子体所成的像射入光谱仪的狭缝中。并对Shamrock SR-500i型光谱仪自带的分析软件的参数进行设置，将门宽设为100ns，对不同延迟时间的谱线进行测量。测量所得的光谱如图1。
利用Stark展宽法[3]计算等离子体温度和等离子体的電子密度，发现其电子密度是随着等离子体的时间演化而逐渐降低的，如图2所示。
激光诱导等离子体的温度也会随时间而降低，这是因为等离子体在膨胀过程中，各种粒子的速度在不断变慢，并且随着等离子体体积的增大，各粒子间的距离也在不断增大，所以等离子体的温度和电子密度都会随着时间的演化而不断降低。
图2 不同延迟时间下的激光诱导Si等离子体谱线
图3 电子密度随时间的演化
在这些谱线中，我们选取Si I 390.55 nm这条谱线进行比较可以发现，不论是谱线的宽度还是谱线的中心波长都有明显的变化，如图3所示。
谱线的线宽一般是由自然展宽、电子碰撞展宽、多普勒展宽、斯达克（Stark）展宽以及仪器展宽机制引起的，而在我们的实验条件下，谱线的展宽主要是由斯达克（Stark）展宽效应而引起的。
图4 Si I 390.55nm 谱线在不同延迟时间的光谱
4. 总结与展望
本文中我们比较分析了激光诱导等离子体的电子密度、谱线的线宽和中心波长随等离子体演化时间的变化，并对引起这些现象的原因进行了理论分析。在将来的工作中，我们可以尝试用Debye球模型及其他等离子体的相互作用机制对这些现象进行定量地解释。
参考文献：
[1]M. Milán, J.J. Laserna. Diagnostics of silicon plasmas produced by visible nanosecond laser ablation. Spectrochim. Acta, Part B 56(2001): 275-288.
[2]H.C. Liu, X.L. Mao, J.H. Yoo, R.E. Russo. Early phase laser induced plasma diagnostics and mass removal during single-Pulse laser ablation of silicon. Spectrochim. Acta, Part B 54(1999): 1607-1624.
[3]C. Aragón, J.A. Aguilera. 2008. Characterization of laser induced plasmas by optical emission spectroscopy: A review of experiments and methods. Spectrochim. Acta, Part B 63: 893-916.
子体的时间演化特性研究有助于物质成分分析。本文中我们利用Stark展宽方法对等离子体电子密度随等离子体时间演化的变化特性进行了比较研究，并比较分析了谱线的展宽和线移随时间的变化特性。
关键词：等离子体 等离子体温度 电子密度 谱线线移
1. 引言
近年来，随着激光器技术与光谱技术的迅速发展，激光诱导等离子体（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）在其理论和应用方面也有了巨大的发展。强激光击打固体样品使得样品迅速融化蒸发，并随之原子化、离子化，原子和离子被激发到高能级，随之退激发会产生发射光谱。在激光与样品靶作用是一个非常复杂的过程，目前为止还没有一个对其很满意的解释，对其的研究从未停止过。等离子体温度和电子密度是等离子体的两个最重要特征参量，主要依赖于激光强度、激光波长、脉冲宽度、样品靶材的物理和化学特性及其环境气体。在此之前已经有许多工作致力于研究等离子体的时间演化特性和空间演化特性，等离子体的大小形状及其不同材料的击穿阈值[1][2]。
2.实验
图1 实验装置图
实验系统如图3-1所示。首先由Nd:YAG（DCR-3D）激光器发射一束激光用来产生等离子体，这束激光的基准波长为1064 nm，脉冲宽度为8 ns，脉冲激光发射频率为10 Hz。脉冲能量可以根据具体的实验条件连续的调节。每次脉冲的激光能量经过一个半反镜反射后，对反射后的激光束用激光能量计对其能量进行监测，我们试验中激光能量的波动范围大约是0.5-2 %，这么小的能量波动对我们实验所测光谱的影响可以忽略。
激光束经一个焦距为50 mm的聚焦透镜聚焦后照射到靶面，移动透镜与靶面的距离使得他们之间的距离比焦距小2 mm，这样是为了避免激光在烧蚀样品前击穿空气而影响等离子体的稳定性。实验样品则固定在一个三维移动平台上，该平台可以在三个方向移动，在实验中我们利用MC600控制箱调节移动平台的三位移动速度和距离，使得实验样品随着平台不断移动，在试验中我们一般使样品走“弓”字移动路线，这样可以使聚焦后的激光每次都会击打在样品不同的位置，避免了激光多次击打在同一位置而产生深坑从而影响实验的稳定性。利用He-Ne激光器进行准直调节，使得样品靶面平面与光谱仪狭缝方向平行。激光诱导激发产生的等离子体经过一个焦距为100 mm的石英成像透镜，调节使其产生1:1成像后入射到光谱仪狭缝。光谱仪用来对其进行分光并用ICCD（Intensified Charge-Coupled Device）探测不同波长光谱的强度。在此过程中，数字脉冲延迟产生器（DG535）被用来调整激光脉冲和探测器之间时间上的同步，它由Q开关触发并以此为基准信号，等离子体产生与探测器工作之间的延迟时间也由DG535调节。为了监测测量中系统是否始终处于稳定状态，我们用一个数字示波器对信号的波动进行实时监测并记录。为了保证等离子体信号的稳定，调节激光诱导等离子体在光谱仪狭缝上的成像位置时，所有的聚焦透镜和成像透镜全都固定在三维移动平台上同时同向地移动。在我们的实验测量中，等离子体的长度一般大约为3.6 mm，经成像到狭缝的等离子体位置大约为距靶面2 mm处，选择这个位置是因为等离子体这个空间位置处更容易满足于LTE条件。光谱的获取参数设置等都是由电脑软件控制的。
3. 结果与讨论
在本次实验中，我们对纯度为99.9%的纯硅样品了测量，实验中在利用DG535将激光器和光谱仪之间的信号调节同步后，用Nd：YAG激光器发射脉冲激光, 并将激光脉冲频率设为10 Hz,调节聚焦透镜使得激光聚焦后击打在Si靶材，并调节成像透镜使得等离子体所成的像射入光谱仪的狭缝中。并对Shamrock SR-500i型光谱仪自带的分析软件的参数进行设置，将门宽设为100ns，对不同延迟时间的谱线进行测量。测量所得的光谱如图1。
利用Stark展宽法[3]计算等离子体温度和等离子体的電子密度，发现其电子密度是随着等离子体的时间演化而逐渐降低的，如图2所示。
激光诱导等离子体的温度也会随时间而降低，这是因为等离子体在膨胀过程中，各种粒子的速度在不断变慢，并且随着等离子体体积的增大，各粒子间的距离也在不断增大，所以等离子体的温度和电子密度都会随着时间的演化而不断降低。
图2 不同延迟时间下的激光诱导Si等离子体谱线
图3 电子密度随时间的演化
在这些谱线中，我们选取Si I 390.55 nm这条谱线进行比较可以发现，不论是谱线的宽度还是谱线的中心波长都有明显的变化，如图3所示。
谱线的线宽一般是由自然展宽、电子碰撞展宽、多普勒展宽、斯达克（Stark）展宽以及仪器展宽机制引起的，而在我们的实验条件下，谱线的展宽主要是由斯达克（Stark）展宽效应而引起的。
图4 Si I 390.55nm 谱线在不同延迟时间的光谱
4. 总结与展望
本文中我们比较分析了激光诱导等离子体的电子密度、谱线的线宽和中心波长随等离子体演化时间的变化，并对引起这些现象的原因进行了理论分析。在将来的工作中，我们可以尝试用Debye球模型及其他等离子体的相互作用机制对这些现象进行定量地解释。
参考文献：
[1]M. Milán, J.J. Laserna. Diagnostics of silicon plasmas produced by visible nanosecond laser ablation. Spectrochim. Acta, Part B 56(2001): 275-288.
[2]H.C. Liu, X.L. Mao, J.H. Yoo, R.E. Russo. Early phase laser induced plasma diagnostics and mass removal during single-Pulse laser ablation of silicon. Spectrochim. Acta, Part B 54(1999): 1607-1624.
[3]C. Aragón, J.A. Aguilera. 2008. Characterization of laser induced plasmas by optical emission spectroscopy: A review of experiments and methods. Spectrochim. Acta, Part B 63: 893-916.