纳秒激光辐照六方氮化硼等离子体光谱特性研究

发布时间：2020-09-25 16:29

　　脉冲激光辐照六方氮化硼材料产生的等离子体对于研究六方氮化硼材料特征有重要指导意义。本文通过等离子体发射光谱对靶材的损伤阈值、组成元素以及等离子体参数特性进行研究分析。本文选择六方氮化硼为靶材,首先对材料进行XRD物相分析以保证材料的单一性无掺杂,然后搭建实验平台,利用纳秒脉冲激光辐照六方氮化硼,通过等离子体光谱法对材料的损伤阈值进行研究,并且利用材料的损伤形貌加以佐证等离子体光谱对测量损伤阈值的准确性。最后采用零几率损伤法对测试结果进行拟合,测量的损伤阈值为0.182J·cm~(-2)。在空气环境中,利用Nd:YAG激光器的纳秒脉冲激光辐照六方氮化硼靶材,将所获得的六方氮化硼等离子体光谱进行指认及分析,得到靶材的硼元素特征峰谱线为B I208.17nm、B I 249.69nm以及B II 345.6nm。在等离子体处于局部热平衡条件下,选择玻尔兹曼双线法和Stark展宽法分别对等离子体的电子温度和电子密度进行求解,并在激光能量密度为0.64J·cm~(-2)至5.1J·cm~(-2)范围内,对等离子体电子温度和电子密度变化规律进行研究分析。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O53;TN24
【部分图文】：

谱线,激光等离子体,实验原理,发射光谱

图 1.1 激光等离子体发射光谱实验原理图1.2 激光等离子体发射光谱的优势激光诱导等离子体光谱技术是一种作为全新的测量物质元素成分和元素含量的技术方法，主要依据不同元素的发光特性可以对应特定的原子或离子谱线的波长，元素的含量多少根据谱线相对强度进行分析，此方法几乎可以检测出存在于自然界中以及人工合成的所有元素，由于技术手段广泛的适应性以及优异的表现，在科研工作中获得非常高的重视。近二十年来，激光诱导等离子体光谱技术在科研领域中取得的科研成果与日俱增，比如激光与物质相互作用过程中的物理机制，通过激光等离子体模型的建立，可以更完整的解释其理论。激光诱导等离子体光谱技术属于原子发射光谱法（AES）其中的一个分支，但两种方法相比较下，激光诱导等离子体光谱技术有了很大的改进，所突出的优点更为明显：（Ⅰ)对于材料的选择范围更加广泛。可以适用于在物质的不同状态下（固态、液态、气态和悬浮颗粒）进行分析及检测，对于一些超硬材料也可以进行试验，比如陶

谱线,等离子体电子,激光能量,电子密度

长春理工大学硕士学位论文2图 1.1 激光等离子体发射光谱实验原理图1.2 激光等离子体发射光谱的优势激光诱导等离子体光谱技术是一种作为全新的测量物质元素成分和元素含量的技术方法，主要依据不同元素的发光特性可以对应特定的原子或离子谱线的波长，元素的含量多少根据谱线相对强度进行分析，此方法几乎可以检测出存在于自然界中以及人工合成的所有元素，由于技术手段广泛的适应性以及优异的表现，在科研工作中获得非常高的重视。近二十年来，激光诱导等离子体光谱技术在科研领域中取得的科研成果与日俱增，比如激光与物质相互作用过程中的物理机制，通过激光等离子体模型的建立，可以更完整的解释其理论。激光诱导等离子体光谱技术属于原子发射光谱法（AES）其中的一个分支，但两种方法相比较下，激光诱导等离子体光谱技术有了很大的改进，所突出的优点更为明显：（Ⅰ)对于材料的选择范围更加广泛。可以适用于在物质的不同状态下（固态、液态、气态和悬浮颗粒）进行分析及检测，对于一些超硬材料也可以进行试验，比如陶瓷类材料。

空间分布,纳秒激光,等离子体光谱,氮化硼

（a）（b）图 1.3 飞秒激光（a）与纳秒激光（b）烧蚀氮化硼等离子体光谱2005 年，Corsi 等人[15]通过激光烧蚀 Cu 样品，分析激光作用后样品表面的烧蚀坑深度对等离子体特性的影响。通过时空演化分辨方法观察电子温度和电子密度变化及影响。实验表明：由于烧蚀坑深度的加深，从而使激光作用到材料的能量损失较大，降低了等离子体谱线强度和等离子体参数数值。2008 年，Koichi 等人[16]在氮气环境下使用（波长 266nm、脉冲能量 37mJ、脉宽8ns、重复频率 10Hz）YAG 激光器进行研究激光烧蚀氮化硼产生的黑体温度和等离子体电子密度在环境气体约束效应下的空间分布和时间延迟的演化。结果表明：环境气体中黑体温度的分布比真空中黑体温度的分布更陡，这是由于环境气体对等离子体的约束所造成的。随时间的变化，电子密度在更高的气压条件下衰减更慢。2009 年，Tavassoli 等人[17]的实验结果表明，通过激光烧蚀铝块，样品表面产生等离子体。样品被加热，初始温度升高至 150℃，测量后发现谱线强度也随之升高，这样可以对样品成分分析更加精确。谱线的增强原因是烧蚀材料增多和热等离子体产生的结果。

【参考文献】