激光等離子體中鉛原子能級(jí)移動(dòng)的研究.pdf

1、自1960年美國(guó)物理學(xué)家梅曼(T.H.Maiman)成功研制出第一臺(tái)紅寶石激光器起，激光技術(shù)的發(fā)展就表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，近幾年超短超強(qiáng)激光科學(xué)的快速發(fā)展為人類(lèi)提供了前所未有的功率密度(>1020W/cm2)、電場(chǎng)強(qiáng)度(>1011V/cm)和時(shí)間精度(10-15s)等非常極端的實(shí)驗(yàn)條件，為許多科學(xué)的創(chuàng)新性研究和重大突破提供了極其重要的平臺(tái)并產(chǎn)生了革命性的影響。其中“激光與物質(zhì)相互作用”的研究成果是激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。激光與物質(zhì)相互

2、作用是物理學(xué)最重要的研究課題之一，它不僅在理論研究領(lǐng)域受到人們的普遍關(guān)注，而且在激光加工、材料制備以及軍事武器的制備等實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。
　　激光與物質(zhì)相互作用的一個(gè)主要結(jié)果就是產(chǎn)生激光等離子體。當(dāng)功率密度足夠高的脈沖激光輻照到靶材的表面時(shí)，靶材會(huì)在幾納秒的時(shí)間內(nèi)熔化、蒸發(fā)乃至電離，產(chǎn)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(jié)構(gòu)的研究，為天文等離子體的模擬提供數(shù)據(jù)。事實(shí)上，對(duì)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(zhì)的相互作用過(guò)程，而且對(duì)PLD制膜的最佳條件的確定起到相當(dāng)有益的啟發(fā)。
　　本文主要對(duì)Pb激光等離子體進(jìn)行了光譜診斷。第一，在距離靶面大約0.3mm處獲得了有關(guān)原子譜線的時(shí)間分辨譜，測(cè)量了等離子體的電子密度、以及其時(shí)間演化趨勢(shì)；通過(guò)光譜分析，得到了特征譜線的展寬和頻移數(shù)據(jù)，并從三方面對(duì)譜線的展寬頻移隨時(shí)間的演化進(jìn)行了解釋?zhuān)桓鶕?jù)相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)論，對(duì)展寬頻移數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并且對(duì)于與文獻(xiàn)結(jié)論相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定性

4、的解釋?zhuān)煌ㄟ^(guò)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(jí)偏移量的大小關(guān)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(shí)間演化譜，給出了10條鉛原子譜線的中心波長(zhǎng)在不同空間位置處隨時(shí)間的演化，分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生藍(lán)移的譜線的躍遷上能級(jí)具有相同的電子組態(tài)并且對(duì)藍(lán)移現(xiàn)象進(jìn)行了解釋?zhuān)唤o出了10條鉛原子譜線在不同延遲時(shí)間時(shí)中心波長(zhǎng)隨空間位置的演化，并且利用等離子體膨脹的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)此進(jìn)行了解釋。在研究過(guò)程中，取得了一些創(chuàng)新性的成

5、果，概括起來(lái)，本論文研究的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)由理論分析和對(duì)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(jī)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(jì)算了等離子體的電子密度，計(jì)算了不同激光能量下不同延遲時(shí)間的電子密度，結(jié)果顯示，隨著時(shí)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(duì)于在不同激光能量下，電子密度隨延遲時(shí)間的變化規(guī)律，我們給出了一個(gè)確定的描述公式。
　

6、　(2)分析了來(lái)自相同上能級(jí)的兩組譜線(PbⅠ357.274nm和PbⅠ257.727nm；PbⅠ266.316nm和PbⅠ373.995nm)和有相同下能級(jí)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(jié)果為:W357.274nm＞W(wǎng)257.727nm、d357.274nm＞d257.727nm，

7、W373.995nm＞W(wǎng)266.316nm、d373.995nm＞d266.316nm；W357.274nm＞W(wǎng)373.995nm、d357.274nm＞d373.995nm，W257.727nm＞W(wǎng)266.318nm、d257.727nm＞d266.318nm，W363.958nm＞W(wǎng)368.348nm、d363.958nm＞d368.348nm。根據(jù)譜線展寬和頻移與躍遷能級(jí)有效電離能之間的關(guān)系式我們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了分析，分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于具

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

9、△Ee(6p7s1p01)＜△Ee(6p7s3p01) 、△Ee(6p7s3p01)＜△Ee(6p7s3p00)。另外，我們對(duì)譜線的展寬頻移在等離子體環(huán)境中隨延遲時(shí)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(yīng)和自由電子對(duì)原子核的屏蔽作用三方面進(jìn)行了解釋。
　　(4)在第二組實(shí)驗(yàn)中同樣利用鉛原子譜線PbⅠ373.995nm的半高全寬計(jì)算了等離子體的電子密度，給出了在延遲時(shí)間300ns、500ns、800ns、1000ns時(shí)

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(qiáng)度隨延遲時(shí)間和空間距離的演化趨勢(shì)，據(jù)此我們判斷，等離子體的膨脹過(guò)程，不僅是能量的損耗過(guò)程，其中還存在能量的交換，即存在一些原子的激發(fā)過(guò)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(zhǎng)在空間位置0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.4mm、1.9mm、2.4mm處的時(shí)間演化圖，通過(guò)分析我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于發(fā)生藍(lán)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(jí)電子組態(tài)6p6d；以譜線PbⅠ287.332nm為例，我們從平方斯塔

12、克效應(yīng)出發(fā)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到的譜線藍(lán)移現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。
　　(6)給出了十條鉛原子譜線的中心波長(zhǎng)在延遲時(shí)間300ns、500ns、800ns、1000ns時(shí)隨空間位置的演化圖，我們發(fā)現(xiàn)，在激光等離子體環(huán)境中譜線的中心波長(zhǎng)隨著空間距離的增加向著短波方向移動(dòng)，我們認(rèn)為這是由多普勒效應(yīng)引起的；我們利用等離子體膨脹的動(dòng)力學(xué)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(duì)等離子體環(huán)境中譜線的中心波長(zhǎng)隨空間距離的演化趨勢(shì)給出了合理的解釋。