激光等離子體中鉛原子能級移動的研究.pdf

1、自1960年美國物理學家梅曼(T.H.Maiman)成功研制出第一臺紅寶石激光器起，激光技術的發(fā)展就表現出強大的生命力，近幾年超短超強激光科學的快速發(fā)展為人類提供了前所未有的功率密度(>1020W/cm2)、電場強度(>1011V/cm)和時間精度(10-15s)等非常極端的實驗條件，為許多科學的創(chuàng)新性研究和重大突破提供了極其重要的平臺并產生了革命性的影響。其中“激光與物質相互作用”的研究成果是激光技術發(fā)展的一個重要標志。激光與物質相互

2、作用是物理學最重要的研究課題之一，它不僅在理論研究領域受到人們的普遍關注，而且在激光加工、材料制備以及軍事武器的制備等實際應用中已經得到了廣泛應用。
　　激光與物質相互作用的一個主要結果就是產生激光等離子體。當功率密度足夠高的脈沖激光輻照到靶材的表面時，靶材會在幾納秒的時間內熔化、蒸發(fā)乃至電離，產生高溫高密度的等離子體。研究鉛等離子體，有助于鉛原子結構的研究，為天文等離子體的模擬提供數據。事實上，對激光等離子體的診斷不僅在理論上有

3、助于更好的理解激光與物質的相互作用過程，而且對PLD制膜的最佳條件的確定起到相當有益的啟發(fā)。
　　本文主要對Pb激光等離子體進行了光譜診斷。第一，在距離靶面大約0.3mm處獲得了有關原子譜線的時間分辨譜，測量了等離子體的電子密度、以及其時間演化趨勢；通過光譜分析，得到了特征譜線的展寬和頻移數據，并從三方面對譜線的展寬頻移隨時間的演化進行了解釋；根據相關文獻的結論，對展寬頻移數據進行了分析，并且對于與文獻結論相反的實驗結果進行了定性

4、的解釋；通過頻移分析，我們還得到了在激光等離子體環(huán)境中鉛原子部分能級偏移量的大小關系。第二，在距離靶面不同的位置處，我們得到了Pb原子譜線的時間演化譜，給出了10條鉛原子譜線的中心波長在不同空間位置處隨時間的演化，分析發(fā)現，發(fā)生藍移的譜線的躍遷上能級具有相同的電子組態(tài)并且對藍移現象進行了解釋；給出了10條鉛原子譜線在不同延遲時間時中心波長隨空間位置的演化，并且利用等離子體膨脹的動力學模型對此進行了解釋。在研究過程中，取得了一些創(chuàng)新性的成

5、果，概括起來，本論文研究的主要內容和結果如下:
　　(1)由理論分析和對激光等離子體譜線的高斯及洛侖茲擬合可知，激光等離子體的展寬機制主要是斯塔克展寬。我們用鉛原子譜線PbⅠ373.995nm的半高全寬計算了等離子體的電子密度，計算了不同激光能量下不同延遲時間的電子密度，結果顯示，隨著時間的延遲電子密度減小，隨著激光能量的增大電子密度增大；對于在不同激光能量下，電子密度隨延遲時間的變化規(guī)律，我們給出了一個確定的描述公式。
　

6、　(2)分析了來自相同上能級的兩組譜線(PbⅠ357.274nm和PbⅠ257.727nm；PbⅠ266.316nm和PbⅠ373.995nm)和有相同下能級的三組譜線(PbⅠ357.274nm和PbⅠ373.995nm；PbⅠ257.727nm和PbⅠ266.318nm；PbⅠ363.958nm和PbⅠ368.348nm)的展寬和頻移，比較結果為:W357.274nm＞W257.727nm、d357.274nm＞d257.727nm，

7、W373.995nm＞W266.316nm、d373.995nm＞d266.316nm；W357.274nm＞W373.995nm、d357.274nm＞d373.995nm，W257.727nm＞W266.318nm、d257.727nm＞d266.318nm，W363.958nm＞W368.348nm、d363.958nm＞d368.348nm。根據譜線展寬和頻移與躍遷能級有效電離能之間的關系式我們對實驗結果作了分析，分析發(fā)現對于具

8、有相同下能級的兩條譜線(PbⅠ363.958nm和PbⅠ368.348nm)，其展寬與頻移的大小關系與其他的兩組不同，與已有文獻中的關系式不同，我們從自吸收和平方斯塔克效應兩方面對其進行了解釋。
　　(3)譜線的頻移是由相應躍遷能級的移動引起的，等離子體發(fā)射光譜的頻移反映的是相關原子能級的移動情況，通過分析譜線的頻移，我們得到了6條鉛原子譜線相應躍遷能級的能級移動量的大小關系如下:△Ee(6p21D2)＜△Ee(6p23p2) 、

9、△Ee(6p7s1p01)＜△Ee(6p7s3p01) 、△Ee(6p7s3p01)＜△Ee(6p7s3p00)。另外，我們對譜線的展寬頻移在等離子體環(huán)境中隨延遲時間的變化規(guī)律，從粒子碰撞引起的線型表述、平方斯塔克效應和自由電子對原子核的屏蔽作用三方面進行了解釋。
　　(4)在第二組實驗中同樣利用鉛原子譜線PbⅠ373.995nm的半高全寬計算了等離子體的電子密度，給出了在延遲時間300ns、500ns、800ns、1000ns時

10、，鉛激光等離子體的電子密度隨空間位置的演化；另外，給出了四條鉛原子譜線(357.274nm，363.958nm，368.348nm，373.995nm)的強度隨延遲時間和空間距離的演化趨勢，據此我們判斷，等離子體的膨脹過程，不僅是能量的損耗過程，其中還存在能量的交換，即存在一些原子的激發(fā)過程。
　　(5)給出了10條鉛原子譜線(357.274nm，363.958nm，368.348nm，373.995nm，257.727nm，26

11、6.316nm，261.418nm，280.199nm，282.320nm，287.332nm)的中心波長在空間位置0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.4mm、1.9mm、2.4mm處的時間演化圖，通過分析我們發(fā)現，對于發(fā)生藍移的四條譜線(261.418nm，280.199nm，282.320nm，287.332nm)，它們具有相同躍遷上能級電子組態(tài)6p6d；以譜線PbⅠ287.332nm為例，我們從平方斯塔

12、克效應出發(fā)，對實驗中觀察到的譜線藍移現象進行了解釋。
　　(6)給出了十條鉛原子譜線的中心波長在延遲時間300ns、500ns、800ns、1000ns時隨空間位置的演化圖，我們發(fā)現，在激光等離子體環(huán)境中譜線的中心波長隨著空間距離的增加向著短波方向移動，我們認為這是由多普勒效應引起的；我們利用等離子體膨脹的動力學理論模型，模擬了等離子的膨脹速度在空間各軸向的分布，對等離子體環(huán)境中譜線的中心波長隨空間距離的演化趨勢給出了合理的解釋。