金属Al脉冲激光等离子体的时间分辨光谱研究

论文摘要

自激光器问世以来,激光与物质的相互作用就一直备受国内外专家学者的关注。激光在工业、军事国防、医学等方面得到广泛的应用同时也存在着些问题,需要对激光与物质相互作用做更深入的了解,以便更好的应用激光。通过对国内外激光等离子体研究现状分析,总结现存的不足,本课题进行了以下工作:采集了金属铝激光等离子体自点燃到熄灭整个过程的时间分辨光谱,提出了测量等离子体演变初期电子温度的方法并验证了其正确性。本文用Nd: YAG激光器输出波长为1064 nm,脉宽为10 ns的脉冲激光,在不同入射激光能量下烧蚀空气中的铝膜,得到在不同注入能量下的铝等离子体的时间分辨光谱。初步分析了等离子体光谱随时间的变化和入射激光能量对光谱线形的影响,发现随着时间的推移,等离子体光谱从连续谱渐变到线状谱,且随注入能量的增加,连续谱和光谱背底的强度均变强,持续的时间也变长。由于等离子体初期的发射光谱有明显的连续背底,而且这些背底是电子轫致辐射和复合辐射作用的结果,所以将背底看作连续谱应用普朗克公式求得其电子温度。为了验证此方法的合理性,对同样的光谱用斯塔克展宽的方法计算得到等离子体电子温度,与黑体辐射计算结果对比,两者计算结果比较吻合,证明了在等离子体演变初期,光谱的连续背底可以应用黑体辐射公式计算电子温度。然后分析了这种方法的优缺点,并将两种测温方法进行了对比。等离子体谱线的线形及展宽有多种机制,且各种机制的作用效果不同,本文比较系统地介绍了各种展宽效应产生的原因及其展宽量的计算方法。在高密度等离子体中,斯塔克展宽和仪器展宽为主要的展宽机制,并介绍了去除仪器展宽影响的方法。应用斯塔克效应计算了不同入射激光能量下不同时刻的电子密度,得到了随时间变化的电子密度,并对其进行了线形拟合,发现在不同注入激光能量下电子密度均随时间按e指数规律变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 激光等离子体研究的发展概况
• 1.2.1 等离子体诊断技术发展概况
• 1.2.2 等离子体电子温度计算方法介绍
• 1.2.3 应用黑体辐射测温
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 实验系统的构建和实验方法
• 2.1 时间分辨光谱（TRS）技术
• 2.2 实验系统介绍
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 样品制备
• 2.2.3 实验流程
• 2.2.4 系统光谱响应函数
• 2.3 光谱初步分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 应用斯塔克效应测量等离子体温度和电子密度
• 3.1 局部热力学平衡
• 3.2 斯塔克效应（Stark effect）
• 3.3 其他展宽效应
• 3.3.1 自然展宽（Natural line broadening）
• 3.3.2 多普勒展宽（Doppler broadening）
• 3.3.3 共振展宽（Resonance broadening）
• 3.3.4 范德瓦尔斯展宽（Van der Waals broadening）
• 3.3.5 光学仪器展宽（Instrumental broadening）
• 3.4 应用斯塔克效应测量电子温度和密度
• 3.4.1 斯塔克展宽和中心波长移动的确定
• 3.4.2 应用斯塔克效应测得的等离子体电子温度和密度
• 3.4.3 可能的误差来源
• 3.5 本章小结
• 第4章 应用黑体辐射测量等离子体温度
• 4.1 黑体辐射
• 4.1.1 黑体
• 4.1.2 发射率和灰体
• 4.1.3 黑体辐射测温
• 4.2 本章小结
• 第5章 两种测温方法的比较
• 5.1 两种测温结果的比较
• 5.1.2 两种测温方法的比较
• 5.1.3 黑体辐射测温的优缺点
• 5.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢