Influence of Laser Energy on the Electron Temperature of A Laser-induced Mg Plasma

作     者：Emmanuel Asamoah 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：Yao Hongbing

授予年度：2017年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 070204[理学-等离子体物理] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：激光诱导等离子 电子温度 发射光谱 镁光谱 

摘      要：作为光谱学技术之一,过去几十年激光诱导击穿技术(LIBS)在科学界引起了众多关注。由于在材料加工,生物学,军事,工业分析,医药研究和环境监测等领域的潜在应用。激光诱导击穿技术(LIBS),有时被称作激光等离子体光谱技术(LIPS),利用激光和目标材料相互作用激发的等离子体产生的辐射,来定性定量地分析目标样本的元素组成。LIBS相对其他传统原子发射光谱技术有着众多优势。LIBS同时适用于导电及非导电目标样品分析,仅需较少甚至无需样本制备。LIBS采用了通过一个聚焦透镜聚焦于目标材料的大功率激光脉冲烧蚀目标表面,从而产生等离子体羽。发出的激光诱导等离子体被收集,通过光纤进入光谱仪。利用光谱仪对光进行分析,用以表征和研究样本组成,电子温度和数密度。激光-靶相互作用过程可分类为:表面蒸发(目标材料消融)、等离子膨胀、等离子体辐射及冷却。激光产生等离子的分析性能受几个因素影响:(i)材料性质,(ii)激光参数(能量、压力)。影响发光的的等离子性能大致分为电子密度,电子数密度,以及电子温度。因此等离子温度和电子密度方面的知识对于理解涉及到的物理过程是十分有必要的。本文中,我们将阐述在大气中使用Q开关1064nm波长Nd-YAG激光器,研究激光诱导镁等离子体光谱。通过在不同激光能量以及延时情况下获取光谱图像,研究了等离子体的演化。我们发现光谱线的密度随着延时的增大而减小。利用玻尔兹曼图法确定了电子温度。在延时100ns,激光能量为350mJ的情况下,电子温度达到最高值10164K,并逐渐在500ns时降低至8833.6K。我们同时利用距离函数对镁等离子体进行评价,随着延时从1um到16um,等离子体距离从0.5膨胀至5.5。电子温度和电子数密度分别由玻尔兹曼图和斯塔克展宽法确定。我们的研究中可知,在激光能量为500mJ时,电子温度估计在17556-9785K之间;在激光能量为450mJ时,电子温度估计在17341-8946K之间。电子数密度分别从1.46×10 -1.89×10 cm降低到1.29×10-1.78×1077 cm。从我们的评估中,我们发现镁离子的电子温度随着激光能量的上升而迅速上升。同时也发现,电子温度和数密度随着等离子体膨胀的距离的增大而降低