激光诱导Cu等离子体的温度研究

摘要：为了研究激光与材料相互作用的机制，获得激光等离子体的状态参数，利用XeCl准分子激光器（308nm，200mJ）烧蚀纯铜样品获得等离子体，使用光栅光谱仪获取了激光诱导的纯铜等离子体发射光谱。在局部热力学平衡（LTE）条件近似下，根据特征谱线的相对强度，利用多谱线斜率法，得到了等离子体温度约为1.7×104K。

关键词：光谱学；激光诱导击穿光谱；多谱线斜率法；等离子体温度

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1216-02

激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）技术是一种新型的光谱分析技术，利用强激光辐照材料表面，引起材料烧蚀、诱导产生等离子体发光，通过对激光等离子体的发射光谱进行分析，研究等离子体内部相互作用机理，获得样品材料中各元素种类及含量的相关信息。LIBS技术可以做到近似无损分析，可实现对固体、液体、气体元素成分进行实时测量与定性或定量分析， 具有简单、快捷以及可以同时对多种元素进行分析等特点，在分析难蒸发、难激发元素方面也有其独特的优势。近年来，随着激光技术及光谱仪器性能的进步，LIBS技术在基础研究、考古学研究、冶金矿产分析、环境保护等领域都得到普遍应用[1-4]。该文利用准分子激光器烧蚀Cu样品表面获得等离子体，通过测量特征谱线组的相对强度值来推算等离子体温度。

1 LIBS测温原理

在激光作用下，样品材料表面因吸收光子而加热，发生熔化，有热电子从表面逸出形成自由电子。被熔化的样品，包含着样品原子、分子、离子、团簇、颗粒等，沿着固体的法线方向快速扩展，形成等离子体雾汽，固体表面附近的气体也因受到激光照射而发生击穿。当光脉冲前沿部分作用到固体表面时，固体的蒸发就开始了，并随着光脉冲后续部分对蒸汽进行强烈的加热与电离，最终形成等离子体，其形成过程如图1所示。

从光与物质相互作用机理上看，在等离子体的形成过程中存在两种不同的光致吸收机理。一种是逆韧致辐射吸收机理，即自由电子从激光束中获得动能，并通过与中性粒子的激发态或基态的碰撞而增加其电离与激发；另一种是激发态粒子的光电离机理，尤其是对于紫外光，主要是蒸汽中激发态粒子的直接光电离。

激光诱导等离子体是一个高温体系，在这样的高温体系中，物质熔化为颗粒，分解为分子或原子，而粒子之间的激烈热碰撞又使分子或原子电离为离子，并且分子、原子或离子可以布居到各个能级上，高能级对低能级的跃迁，使激光等离子体具有很强的发射光谱。

在热力学平衡状态下，分配在各激发态和基态的原子浓度，由波尔兹曼公式决定：