飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性
闫明亮1, 张辰龙2, 赵连祥3, 赵华鹤4, 高勋2,*
1.陆军装甲兵学院士官学校, 吉林 长春 130017
2.长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022
3.陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻沈阳地区第二军事代表室, 辽宁 沈阳 110020
4.长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
*通讯作者 e-mail: lasercust@163.com

作者简介: 闫明亮, 1981年生,陆军装甲兵学院士官学校教师 e-mail: 353589657@qq.com

摘要

由于飞秒激光脉冲宽度小于靶材电子—晶格热弛豫时间, 飞秒激光烧蚀靶材过程以及诱导击穿产生的等离子体膨胀动力学过程与纳秒激光作用过程不同, 因此研究飞秒激光诱导等离子体发射光谱特性对于研究飞秒激光烧蚀机制以及飞秒激光诱导等离子体的膨胀动力学过程非常重要。 Ge材料是一种常用的中远红外探测器以及光学元器件材料, 对中心波长为800 nm, 脉宽为50 fs的激光脉冲烧蚀空气中Ge靶材产生的等离子体发射光谱强度的时间和空间演化规律研究, 并探讨了飞秒激光脉冲能量对等离子体发射光谱强度的影响规律。 实验结果表明在等离子体羽膨胀初期, 飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱主要由线状光谱和连续光谱构成, 在200 ns时间内连续光谱强度逐渐减弱, 线状光谱开始占主导地位。 通过探测Ge等离子体的时间分辨发射光谱, 随着等离子体的快速膨胀, 等离子体发射光谱强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化, 在335 ns达到最大。 通过探测Ge等离子体的空间分辨发射光谱, 随着距离Ge靶材表面的位置增加, 等离子体发射光谱强度随远离Ge靶材表面距离增加呈现先增加后下降变化, 在0.8 mm位置达到最大。 由于存在等离子体自吸收机制, 等离子体发射光谱强度随着脉冲能量的增加而增加, 在脉冲能量为0.627 mJ时, 飞秒激光诱导Ge等离子体存在自吸收现象, 从而使等离子体发射光谱强度出现下降变化。

关键词: 飞秒激光; 锗等离子体; 光谱特性; 自吸收现象
中图分类号:O562.3 文献标志码:A
Spectral Characteristics of Ge Plasma Induced by Femtosecond Pulsed Laser Ablation
YAN Ming-liang1, ZHANG Chen-long2, ZHAO Lian-xiang3, ZHAO Hua-he4, GAO Xun2,*
1. Non-Commissioned Officer School of Army Academy of Armored Forces, Changchun 130017, China
2. School of Physics, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
3. The Second Military Representative Office of the Military Representative Bureau of the Army Equipment Department in Shenyang, Shenyang 110020, China
4. School of Opto-electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
*Corresponding author
Abstract

For the pulse width of a femtosecond laser is shorter than the electron-lattice thermal relaxation time of the medium, and the processes of femtosecond laser ablation and the dynamic process of plasma expansion are different from that of a nanosecond pulse laser, it is very important to study the emission spectrum characteristics of femtosecond laser-induced plasma for studying the femtosecond laser ablation mechanism and the femtosecond laser-induced plasma expansion dynamics. Ge material is commonly used for mid-far infrared detectors and optical components. In this paper, the processes of the temporal and spatial evolution of plasma emission spectroscopy intensity produced by femtosecond pulsed laser ablated Ge material with center wavelength of 800 nm and pulse width of 50 fs are studied in air, and the effect of laser pulse energy on plasma emission spectral intensity is discussed. The experimental results show thatthe Ge plasma emission spectrum induced by the femtosecond pulsed laser is mainly composed of line spectrum and continuous spectrum at the early stage of plasma plume expansion, and the continuous spectrum weakens gradually. In contrast,the line spectrum becomes dominating within the delay time of 200ns. With the rapid expansion of the plasma plume, the plasma emission spectral intensity increases first and then decreases with the delay time increasing, and plasma emission spectral intensity reaches the maximum at a delay time of 335 ns. With the distance increasingto the Ge target surface at the delay time of 335 ns, the plasma emission spectral intensity increases first and then decreases and reaches the maximum at a distance of 0.8 mm to the Ge target surface. In the process of plume expansion, the existence time of the ion spectrum line is shorter than that of the atom spectrum line. Due to the existence of the self-absorption mechanism of the plasma plume, the plasma emission spectral intensity increases with the increasing of femtosecond pulse energy. When the pulse energy is 0.627 mJ, femtosecond laser-induced Ge plasma has a self-absorption phenomenon, which decreasesthe plasma emission spectral intensity.

Keyword: Femtosecond pulse laser; Ge plasma; Spectral characteristics; Self-absorption
引言

随着激光技术的快速发展, 激光武器已逐渐成为光电探测器的光电对抗方式[1]。 激光武器对光电探测器硬损伤的主要机制为高功率脉冲激光烧蚀探测器表面, 产生质量迁移, 使探测器表面产生形貌变化, 从而使探测器产生硬损伤[2]。 在激光烧蚀过程中诱导靶材产生等离子体, 膨胀过程中等离子体与周围约束空气相互作用, 导致等离子体膨胀随着时间增加快速膨胀, 且向外产生等离子体辐射[3]。 飞秒激光脉冲峰值功率高, 与材料作用时间小于电子—晶格耦合时间, 则飞秒激光烧蚀靶材表面的热影响区域小于纳秒激光脉冲烧蚀情况[4], 目前, 飞秒激光逐渐成为激光武器的主要光源。

Ge是一种高载流子迁移率的半导体材料, 透射光谱范围为2~12 μm, 具有硬度高, 导热性好, 不溶于水等特点, 是一种常用于红外夜成像和CO2激光聚焦透镜等领域的红外光学材料[5]。 飞秒激光烧蚀Ge靶材物理过程的研究对于飞秒激光对抗Ge探测器的损伤机理非常重要, 而等离子体发射光谱特性的研究对于激光烧蚀机制的揭示有重要意义[6, 7], 因此本文开展飞秒激光烧蚀Ge靶材的等离子体发射光谱特性, 获得Ge等离子体发射光谱强度的时间和空间演化过程, 以及随激光脉冲能量的变化规律。

1 实验部分

飞秒激光烧蚀锗等离子体光谱特性实验装置如图1所示。 激光光源为中心波长为800 nm、 脉宽50 fs、 重频为1 kHz、 光束直径为6 mm的一体式箱体飞秒激光放大器(美国Coherent公司, 型号为Libra), 最大脉冲能量输出为3.5 mJ。 飞秒激光光束经由半波片和格兰棱镜组成的能量衰减系统后, 经高反镜HR反射后由焦距为100 mm的熔石英透镜L1聚焦到单面抛光的Ge靶(111)表面, 光斑直径为110 μm。 飞秒激光诱导产生的Ge等离子体发射光谱, 由焦距为75 mm的熔石英透镜L2耦合进入配有ICCD探测器的光栅光谱仪(美国PI公司, 型号为Spectra Pro500i)采集输出, 光谱分辨率为0.05 nm, 实验中探测的激光等离子体发射光谱范围为265~285 nm。 ICCD探测器由飞秒激光放大器的泵浦激光器的Q开关同步触发, 且ICCD探测器的gate门的开启时间和光谱采样时间由光谱采集软件设定, 飞秒激光脉冲烧蚀靶材的结束时间设为时间零点, 采集的不同时刻的烧蚀Ge等离子体发射光谱由ICCD的gate门的取样延时决定。 实验中, ICCD相机的采集门宽为20ns。 由三维平移台(日本SIGMA生产, 型号SGSP20)控制运动Ge靶, 使每个激光脉冲烧蚀位置不重合。 等离子体发射光谱收集耦合的光纤探头平行激光入射方向移动, 获得空间分辨的Ge等离子体发射光谱。 实验过程中气体压强为一个大气压, 环境温度为25 ℃, 相对湿度为45%。

图1 飞秒激光烧蚀Ge等离子体发射光谱实验装置图Fig.1 The experimental setup of plasma emission spectroscopy induced by femtosecond pulsed Laser ablated Ge target

2 结果与讨论
2.1 Ge等离子体发射光谱

实验中飞秒激光脉冲能量为0.26 mJ, 真空腔室内空气压强为一个标准大气压, 延时为335 ns时的飞秒激光烧蚀Ge的等离子体发射光谱如图2所示。 Ge等离子体光谱由连续光谱和线状光谱组成, 连续光谱来源于韧致辐射、 原子-离子间的复合辐射和等离子体的热连续辐射, 线状光谱来源于Ge原子内的电子轨道间的能级跃迁[8]。 对比美国NIST光谱数据库, 在实验测量265~285 nm光谱范围内飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱中有265.1、 269.1、 270.9、 274.0、 275.4、 279.4和282.9 nm共7条Ge原子谱线存在。

图2 飞秒激光烧蚀Ge等离子体发射光谱Fig.2 The plasma emission spectrum induced by femtosecond pulsed Laser ablated Ge target

2.2 Ge等离子体发射光谱强度的时间演化

飞秒激光烧蚀Ge靶材后, 电离击穿形成等离子体, 随着时间的增加, 等离子羽体向外快速膨胀, 羽体体积逐渐增大。 在周围空气的约束作用下, 高温等离子体的能量传递给周围约束空气[9], 造成等离子体电子温度下降, 则等离子体辐射的连续光谱强度逐渐降低, 而线状特征光谱强度逐渐升高。 在飞秒激光脉冲烧蚀Ge靶后200 ns期间, 等离子体辐射的连续光谱较强, Ge原子谱线强度较低无法采集, 因此等离子体辐射的Ge原子光谱从200 ns后开始采集。

在一个标准大气压环境下, 飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱中Ge 269.1 nm、 Ge 270.9 nm和Ge 274.0 nm、 Ge 275.4 nm光谱强度的时间演化曲线如图3所示, 光谱采集区域距离Ge靶材表面0.7 mm。 由图3可以看出, 随着延时增加, Ge 270.9 nm和Ge 275.4 nm光谱强度呈现先增大后减小变化, 在延时为335 ns处最强, 之后随着延时的不断增加而逐渐减小, 在延时大于700 ns后, 等离子体发射光谱强度随延时增大变化缓慢。

图3 飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱强度时间演化曲线Fig.3 The temporal evolution of spectral intensity of fs laser induced Ge plasma

图4为延时335 ns时, 飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱中Ge 269.1 nm、 Ge 270.9 nm、 Ge 274.0 nm和Ge 275.4 nm光谱强度沿等离子体轴向膨胀方向上的空间分布。 光谱强度随着等离子体轴向膨胀距离的增加呈现先增大后减小变化, 对应的等离子体原子发射光谱强度的最大值位置均距靶材0.8 mm位置处。 随着距离锗靶面位置的距离增加, 由于飞秒激光诱导Ge等离子体的向外膨胀初期时等离子体内电子密度大, 等离子体内的电子与原子间的非弹性碰撞使处于激发态的原子密度较高, 且等离子体内的电子—离子复合几率增加了原子密度, 因此Ge等离子体中原子发射光谱的谱线强度变强。 随探测位置远离Ge靶面, 向外膨胀的等离子体羽体积变大, 以及等离子体前沿与周围空气间的能量交换, 使得Ge等离子体内温度下降, 造成等离子体内原子密度降低, 导致了Ge原子谱线强度随着距离靶材表面位置的增加而减小。

图4 飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱强度的空间演化(延时335 ns)Fig.4 The spatial evolution of spectral intensity of fs laser induced Ge plasma (delay time of 335 ns)

在距离锗靶材表面位置0.7 mm位置处, 固定探测延时为370 ns, 飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱Ge 269.1 nm、 Ge 270.9 nm、 Ge 274.0 nm和Ge 275.4 nm光谱强度随激光能量的变化如图5所示。 Ge等离子体发射光谱的谱线强度随着飞秒激光脉冲能量的增加先增大后减小变化, 在激光脉冲能量为0.627 mJ时光谱强度达到最大。 随着飞秒激光脉冲能量的增大, 激光烧蚀Ge靶向外膨胀的原子、 离子和电子数目增加, 导致了等离子体内原子密度增加, 从而出现了等离子体内原子光谱的谱线强度升高[10]。 当能量大于0.627 mJ后, 由于等离子体外层能量交换给周围环境空气, 从而出现了等离子体内核电子温度高而外层等离子体电子温度低, 出现了等离子体自吸收现象[11], 造成了等离子体辐射的原子谱线强度随着脉冲能量升高而下降变化。

图5 飞秒激光诱导Ge等离子体的发射光谱强度随激光能量演化Fig.5 The spectral intensity of fs laser induced Ge plasma varied with laser pulsed energy

3 结论

开展了飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱特性研究, 获得了Ge等离子体光谱强度的时间演化和空间演化规律, 探讨了脉冲能量对Ge等离子体光谱强度的影响。 实验结果表明, 飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱主要由连续谱和叠加于其上的分立光谱组成, 且连续光谱在200 ns时间内快速衰减。 Ge等离子体发射的原子谱线强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化, 在335 ns时间延时处于最大值, 而Ge等离子体发射的原子谱线强度随着距离Ge靶材表面位置的距离增加呈先增大后下降变化, 在距离靶材表面位置0.8 mm处于最大值。 由于等离子体自吸收机制, Ge等离子体发射的原子谱线强度随着烧蚀激光脉冲能量增加先增加后下降变化。

参考文献
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