纳秒激光诱导铜等离子体中原子激发态5s′4D7/2的瞬态特性研究*

刘世炳刘院省 何润 陈涛

(北京工业大学激光工程研究院，北京100124)

(2009年10月30日收到;2009年11月23日收到修改稿)

纳秒激光诱导铜等离子体中原子激发态5s′4D7/2的瞬态特性研究*

刘世炳†刘院省 何润 陈涛

(北京工业大学激光工程研究院，北京100124)

(2009年10月30日收到;2009年11月23日收到修改稿)

利用时间分辨光谱技术，研究了激光诱导Cu等离子体中激发态5s′4D7/2的形成及其辐射跃迁的瞬态特性.结果表明:在激发态5s′4D7/2原子的制备过程中，电子离子复合、粒子间碰撞机理在不同时刻分别起主导作用.激光峰值到达金属表面后500 ns期间，粒子间的剧烈碰撞作用使得激发态5s′4D7/2主要通过向低能态4p′4F9o/2跃迁来转移能量.500 ns以后，激发态5s′4D7/2通过以相同的概率辐射CuI465.11nm和CuI529.25nm特征谱线向低能态4p′4F9o/2和4p′4D7o/2转移能量.

激光烧蚀，时间分辨光谱，等离子体辐射，能量转移

PACC:3150，3220J，3580B，5250J

1. 引言

深入认识光化学反应动力学过程，探索控制光化学反应的有效途径，是科学家长期奋斗的目标［1，2］.原子激发态作为光化学反应的基本单元，一直以来都是人们重点研究的对象.利用脉冲激光与物质相互作用产生的等离子体来制备原子激发态，是一种便捷、高效的手段［3—7］.鉴于等离子体内部粒子间相互作用的复杂性，原子激发态的形成机理，目前仍是众说纷纭，没有统一、明确的物理解释.如，Sdorm等人认为原子激发态源于团簇或颗粒被电子汽化、激发后退激的过程［8］.Timmer等人则指出电子-离子复合是原子激发的重要因素［9］.Chen等人的研究表明碰撞激发是原子激发态产生的主要机理［10］.对等离子体中原子激发态瞬态特性的深入研究，不仅能明确原子激发态的形成机理、能量转移过程等诸多根本问题，而且对于进一步控制原子激发态的能量转移、以至实现化学反应的有效控制都十分必要.铜原子偶宇称激发态5s′4D7/2，其产生和衰变涉及多个重要物理过程，能够全面反映激光诱导铜等离子体中原子激发态的动力学演化过程.因此，本文采用时间分辨光谱技术研究纳秒脉冲激光与金属铜相互作用产生激发态5s′4D7/2的动力学演化过程，包括电子-离子复合、高能态原子碰撞退激发、低能态原子碰撞激发等过程，探索了对激发态5s′4D7/2制备起主导作用的时间范围，讨论了激发态5s′4D7/2通过辐射特征谱线CuI465.11nm和CuI529.25nm转移能量的瞬态过程.

图1 瞬态光谱实验装置

2. 实验装置

实验装置如图1所示.Nd:YAG激光器产生的波长1064nm、脉宽27 ns、最大单脉冲能量800 mJ的激光，经偏振分束棱镜SP分成两束，一束送入能量计EM(Newport Model:2835-C，Model:818E-20-50-F)进行输出能量监视，另一束经半波片HW、偏振片P调节能量后，由反射镜BP(R=99%)反射，经石英透镜L1(焦距f=80mm)聚焦于Cu靶表面，产生等离子体，激光焦斑直径约200μm.等离子体产生的光谱由石英透镜L1收集后，经透镜L2(焦距f=25mm)耦合进入光纤，等离子体光谱经光谱仪(Acton Model:2500i;Grating:1200 g/mm)分光后，由ICCD(PI Model:7397－0005)采集，采集数据送计算机处理并显示(实验光路中未画出计算机)，ICCD曝光时间精度2 ns.光谱仪与激光脉冲的同步是通过激光器输出的TTL信号同步触发光谱仪的延时装置PTG(PI Model:7501－0001)来实现的(实验光路中未画出电信号的连接线)，TTL触发信号的电抖动小于1 ns.实验前，用示波器(Agilent Model:DSO7052 A)及光电探头(Newport Model: 818-BB-22)测得激光脉冲的峰值半高宽为27 ns;光谱仪用标准Hg灯光源(PI Model:MS-416)进行谱线位置校准，用氙灯标准连续谱光源进行衍射效率校准;实验样品为纯Cu(Purity:≥99.99%)，用砂纸磨平后，由颗粒直径2μm的抛光液抛光;靶材置于二维电动移动台MS上，通过调节移动台的移动速度，激光脉冲每次都打在Cu靶的新位置上，保证了重复事件的稳定性.

3. 实验结果及分析

峰值功率密度2.59×1010W/cm2的纳秒激光脉冲作用于Cu靶，产生等离子体的辐射谱线如图2所示.实验在大气中进行，激光烧蚀金属Cu的过程中，空气中N原子、O原子等，也参与相互作用，形成各种原子和离子激发态，同时辐射相应的特征谱线.本文关心的是与Cu原子激发态5 s′4D7/2相关的两条特征谱线即CuI465.11nm和CuI529.25nm.表1给出了产生这两条特征谱线的跃迁过程，及相应原子激发态的电子结构和能级信息［11］.

图2 激光诱导Cu等离子体在445—540nm波段的发射光谱

表1 CuI465.11nm和CuI529.25nm的跃迁能级信息

3.1. Cu原子偶宇称态5s′4D7/2的形成机理

图3及图4示出了特征谱线CuI465.11nm和CuI529.25nm的动力学演化过程.本文取激光脉冲峰值达到Cu靶表面的时刻为时间零点，图中负时刻表示激光脉冲前沿先于激光峰值达到金属表面的时间.激光到达Cu靶表面瞬间，金属导带电子通过逆韧致过程吸收激光能量，随后经与金属晶格碰撞，将吸收的激光能量转换为金属表面温度的升高［12，13］.在激光峰值到达之前，金属表面在激光脉冲前沿的作用下，经历了融化、蒸发、汽化、形成等离子体等一系列复杂的相变过程［14，15］.时间分辨光谱检测结果显示激光峰值到达靶表面之前约25 ns时，等离子体形成，同时伴随着连续光谱出现.随着后续激光脉冲与等离子体中原子、团簇等粒子碎片的进一步相互作用，等离子体的密度逐渐增大.图3 (a)及图4(a)表明，激光峰值过后约10 ns，等离子体连续谱辐射强度达到极大值.随后，由于脉冲后沿的激光能量不断变弱，等离子体中离子的产生速率低于其复合速率，离子密度开始降低，辐射连续谱的强度逐渐下降.直至激光峰值过后约25 ns时，等离子体辐射的连续谱上叠加出现较弱的特征谱线CuI465.11及CuI529.25nm，表明等离子体在电子-离子复合过程中开始形成［Ar］3d94s(3D3)5s电子结构，偶宇称激发态5s′4D7/2上出现粒子布居.在激光峰值过后约200 ns这段时间内，特征谱线CuI465.11及CuI529.25nm的辐射强度随时间逐渐上升，这是由于等离子体内部的离子通过与电子复合，形成大量偶宇称激发态5s′4D7/2，且其形成速率高于消耗速率.在200 ns时，激发态5s′4D7/2的累积与消耗速率达到平衡，两条特征谱线的辐射强度出现极大值.200 ns以后，连续谱辐射强度降到最低，等离子体消失，电子离子通过复合制备激发态5s′4D7/2的机理可以忽略.

图3 CuI465.11nm的时间演化光谱(a)－50—300 ns过程;(b)300—1500 ns过程

图4 CuI529.25nm的时间演化光谱(a)－50—300 ns过程;(b)300—1500 ns过程

图5 CuI465.11nm和CuI529.25nm发射强度的半高全宽随时间的演化

图5示出了特征谱线CuI465.11及CuI529.25nm半高全宽随时间的变化.在激光峰值过后的200—500 ns期间，两条特征谱线半高全宽较大，并随时间下降，表明粒子间存在着剧烈的碰撞作用，同时这种碰撞作用随时间变弱.在此期间，低能态原子的碰撞激发、高能态原子的碰撞退激发过程成了激发态5s′4D7/2的主要制备机理，制备过程如为

3.2. Cu原子偶宇称态5s′4D7/2的能量辐射转移过程

在Cu原子偶宇称激发态5s′4D7/2的整个动力学演化过程中，其粒子布居数始终处于动态变化中.一方面，电子-离子复合、低能态原子碰撞激发、高能态原子碰撞退激发等物理机理，不断制备5s′4D7/2激发态原子;另一方面，该激发态原子又通过辐射特征谱线，不断消耗制备的激发态5s′4D7/2原子.图6示出了CuI465.11nm和CuI529.25nm两条特征谱线强度随时间的演化过程.辐射初期，两条特征谱线的辐射强度均随时间上升，表明5s′4D7/2激发态上原子数量的累积速率大于其消耗速率.在约200 ns处，原子激发态5s′4D7/2的累积速率和消耗速率达到平衡，两条特征谱线的辐射强度均达到极大值.此后，随着等离子体的消失，激发态原子的消耗速率超过其累积速率，CuI465.11nm和CuI529.25nm的辐射强度随时间下降.500 ns之前，粒子间存在剧烈的相互作用，Cu原子4s5s电子的自旋角动量与轨道角动量耦合严重，跃迁过程5s′4D7/2→4p′4D7/2(ΔL=0，ΔJ=0)较跃迁过程5s′4D7/2→4p′4F9o/2(ΔL=1、ΔJ=1)更难发生［16］，因此CuI465.11nm辐射强度高于CuI529.25nm的辐射强度.在激光峰值过后的25—500 ns期间，激发态5s′4D7/2主要通过辐射特征谱线Cu I 465.11nm来转移能量. 500 ns之后，随着粒子间碰撞作用的消失，Cu原子4s5s电子的自旋与轨道角动量脱耦，激发态通过上述两个跃迁过程转移能量的概率逐渐趋于一致，并且在1000 ns以后，激发态5s′4D7/2以几乎相同的几率通过辐射CuI465.11nm及CuI529.25nm两条特征谱线向低能态4p4F9o/2和4p′4D7/2转移能量.图7总结了Cu原子激发态5s′4D7/2在不同时间范围内的产生机理及能量转移机理.

图6 CuI465.11nm和CuI529.25nm的辐射强度随时间的演化

图7 Cu原子激发态5s′4D7/2的产生机理及其能量转移过程

4. 结论

纳秒激光脉冲诱导等离子体辐射初期，连续辐射主要源于自由电子的韧致辐射以及电子-离子的复合过程.在激光脉冲峰值到达Cu靶表面后的25—200 ns期间，电子-离子复合是生成Cu原子激发态5s′4D7/2的主要机理;200—500 ns期间，低能态Cu原子的碰撞激发和高能态Cu原子的碰撞退激发过程是激发态5s′4D7/2的主要制备机理;500 ns之前，粒子间的剧烈碰撞作用使得激发态5s′4D7/2主要通过向低能态4p′4F9/2跃迁来转移能量.500 ns以后，激发态5s′4D7/2以几乎相同的概率通过辐射CuI465.11nm和CuI529.25nm向低能态4p′4F9o/2和4p′4Do7/2转移能量.

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PACC:3150，3220J，3580B，5250J

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10974010)，Beijing Technological Innovation Plan(Grant No. 1010005466903)，Bejing University of Technology Ph.D.Innovation Plan 2009.

†E-mail:sbliu@bjut.edu.cn

Instantaneous characteristics of excited atom state 5s′4D7/2in the copper plasma induced by laser

Liu Shi-Bing†Liu Yuan-Xing He Run Chen Tao
(Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)
(Received 30 October 2009;revised manuscript received 23 November 2009)

The formation of excited atom state 5s′D7/2and its transition process in the copper plasma induced by nanosecond pulse laser are studied by the time-resolved spectrum technology.The experimental results indicate the recombination of electron and ion and the collisions among particles each play a dominent role in forming excited atom state 5s′D7/2at different tims during its evolvement.When the collisions among particles are severe，the excited atom state 5s′D7/2mainly transits to low energy atom state 4p′4F9o/2.500 ns after the peak of laser pulse arriving at target surface，the excited state 5s′D7/2transited to 4p′4F9o/2and 4p′4D7/2with the same probabilities by emitting lines CuI465.11nm and CuI529.25nm respectively.

laser ablation，time-resolved spectrum，plasma radiation，energy transfer

book=455,ebook=455

*国家自然科学基金(批准号:10974010)，北京市科技创新平台(批准号:1010005466903)，2009年北京工业大学博士创新计划资助的课题.

†E-mail:sbliu@bjut.edu.cn