ECR-PLA铝/氮等离子体特性的光谱研究

【作者】 梁佩佩； 黄飞灵； 杨琴； 杨旭； 孙剑； 许宁； 吴嘉达；

【机构】 复旦大学光科学与工程系；

【摘要】 对固体或液体的脉冲激光烧蚀（PLA）可以产生超饱和度、高电离度、高速膨胀的瞬变PLA等离子体;对气体的电子回旋共振（ECR）微波放电可以产生高密度、高电离度、低工作气压、大体积均匀的ECR等离子体;同时对气体的ECR微波放电和固体的脉冲激光烧蚀,则由于ECR等离子体和PLA等离子体之间的相互作用形成一种独特的复杂等离子体一ECR-PLA等离子体。这一等离子体兼具ECR等离子体和PLA等离子体的特性,又具有独特的过程与特性,在材料制备和处理方面也有独到的应用效果。本工作利用时间和空间分辨的等离子体光谱测量和分析方法研究了对Al靶烧蚀产生的PLA铝等离子体和对N₂气ECR微波放电产生的ECR氮等离子体之间的相互作用和由此形成的ECR-PLA铝/氮等离子体的特性,并与PLA铝等离子体在低气压N₂气中膨胀过程进行了比较。主要考察了等离子体发射光谱中氮分子（N₂）光谱、氮分子离子（N₂⁺）光谱以及铝原子（Al）和铝离子（Al⁺）光谱。测量表明,PLA铝等离子体在ECR氮等离子体中的高速膨胀使得等离子体光谱得到极大的增强,其中N₂⁺分子离子的第一正带系增强了六十余倍,N₂分子的第二负带系增强了十余倍;另一方面,ECR微波放电和PLA铝等离子体对N₂的共同作用相比于PLA铝等离子体单独作用,等离子体光谱的持续时间大大延长,其中N₂⁺分子离子光谱的持续时间延长近6倍,并呈现有二次激发的特征。等离子体光谱的特征反映了等离子体的激发特性。根据等离子体光谱的时间演变和空间变化分析了相应发光粒子的行为,探讨了ECR等离子体和PLA等离子体之间的相互作用过程和等离子体激发的机制。PLA等离子体高速膨胀导致ECR等离子体的激发增强,ECR等离子体则延长PLA等离子体的持续时间。本工作还通过对双原子的N₂⁺光谱的拟合,确定了ECR-PLA铝/氮等离子体中N₂⁺的转动温度和振动温度及其时间演变和空间分布,并与ECR氮等离子体中或PLA铝等离子体单独作用下相应的转动温度和振动温度进行了比较,发现:1、ECR微波放电和脉冲激光烧蚀共同作用下形成的ECR-PLA铝/氮等离子体中N₂⁺的振动温度和转动温度和只有PLA铝等离子体单独作用形成的N₂⁺的振动温度和转动温度明显高于ECR氮等离子体中的相应温度;2、与PLA铝等离子体单独作用的情况比较,ECR-PLA铝/氮等离子体中N₂⁺在相当长的时间内保持较高振动温度和转动温度:3、在同一空间位置,温度随时间的变化趋势与光谱强度随时间的变化趋势一致。结果表明,瞬变的PLA等离子体在连续稳定的ECR等离子体中高速膨胀时两者之间的相互作用导致它们彼此间的延续激发和激发增强,使得形成的ECR-PLA等离子体具有很高的激发度和活性。更多还原