1、学 年 论 文题 目： 应用 H 线的 Stark 加宽测量激光诱导 等离子体的电子密度 学 院： 物理与电子工程学院 专 业： 物理学 学生姓名： 姚 海 云 学 号： 200872010142 指导教师： 李 忠 文 简 短评 语成绩： 指导教师签名：1应用 H 谱线的 stark 加宽测量激光诱导等离子体的电子密度姚海云 李忠文（西北师范大学 物理与电子工程学院，甘肃兰州 730070）摘要：通过学习光谱分析法，了解了原子发射光谱的含义、产生原因，以及相关的参数；另一方面，熟悉了关于等离子体的概念，特点和产生方式。此外，进一步了解了各种类型的光谱仪和光栅的作用。本次实验，是在潮湿空气中，
2、用 Nd：YAG 脉冲激光嚣产生的 1.06m 激光产生等离子体，并观测了其空间分辨的发射光谱依据光谱线波长、相对强度等参教估算了沿靶面法线不同位置等离子体的电子温度在此基础上，由 H 线的 Stark 加宽计算得到等离子体的电子密度结果分析表明：利用环境气体的谱线测量复杂元素等离子体电子密度的方法是可行的在距离靶面 1.0mm 的空间位置附近电子温度骤然降低、电子密度具有最大值的现象可以从激光诱导等离子体产生机制的角度得到定性解释关键词：电子密度；Stark 加宽；H 线；等离子体1 引言激光诱导击穿光谱是一种灵敏的分析技术, 较其它原子发射光谱技术要优越得多, 仅需少量样品且不需样品准备，
3、在元素分析、珠宝产品的特性鉴定、土壤分析、脉冲激光薄膜沉积、药品质量控制等许多应用领域引起了人们的广泛关注。电子密度是反映等离子体基本特性的参数之一，在等离子体诊断和应用中都起着重要的作用。本 次 实 验 中 ， 通 过 利用激光打穿空气产生等离子体，通过对谱线的采集，并利用 Origin 软件对谱线进行分析，绘制出空气光谱图，计算出了电子密度，从而加深了对原子发射光谱的特点的理解。 2 实验及理论方法2.1 实验2Nd:YAG 激光器发出波长为 1064nm、脉宽为 10ns、重复频率为 10Hz、功率密度为 8.52109Wcm-2 的脉冲激光，经焦距为 50mm 的石英透镜会聚并击穿空气
4、，等离子体经过透镜(f=70mm)等大成像于单色仪 (MONO27,600/mm)的入射狭缝上。 快速脉冲发生器发出高压脉冲使光学多道分析仪(OMA )的光电探头选通 3.5ns 的曝光时间，获得的高分辨率等离子体光谱在计算机上输出。2.2 理论方法2.2.1 原子发射光谱（1）原子发射光谱法定义：(Atomic Emission Spectrometry，AES ) 是根据待测物质的气态 1原子被激发时所发射的特征线状光谱的波长及其强度来测定物质的元素组成和含量的一种分析技术。分析范围： 可对约 70 种元素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非 2金属元素）进行分析。常用于定性、半定量及定量分
5、析。 （2）原子发射光谱的产生原子的外层电子由高能级向低能级跃迁，能量以电磁辐射的形式发射出去，这样就得到发射光谱。原子发射光谱是线状光谱。（3） 谱线的强度1064nmNd:HOMA脉冲发生器示波器 LenF=50mm光谱仪3 E=E 2- E1 = h c/E2-E1=h c/ = c / （1）=h=hc = 1/其中：h 为普朗克常数（6.62610 -34 J.s）c 为光速(2.99792510 10cm/s)激发电位: 从低能级到高能级需要的能量。共振线: 具有最低激发电位的谱线。 谱线强度表达式设 i、j 两能级之间的跃迁所产生的谱线强度 Iij 表示，则 Iij = NiAi
6、jhij （2） 式中 Ni 为单位体积内处于高能级 i 的原子数，A ij 为 i、j 两能级间的跃迁几率，h 为普朗克常数， ij 为发射谱线的频率。若激发是处于热力学平衡的状态下，分配在各激发态和基态的原子数目 Ni 、N 0 ，应遵循统计力学中麦克斯韦-玻尔兹曼分布定律：Ni = N0 gi/g0e (-E / kT) （3）式中 Ni 为单位体积内处于激发态的原子数， N0 为单位体积内处于基态的原子数，g i，g 0 为激发态和基态的统计权重， Ei 为激发电位，k 为玻尔兹曼常数，T 为激发温度。2.2.2 激光诱导等离子体（1）关于激光诱导等离子体的发展激光诱导击穿光谱是一种灵
7、敏的分析技术, 较其它原子发射光谱技术要优越得多, 仅需少量样品且不需样品准备。因为激光束被聚焦到一小点上, 因此可以研究样品的非均匀性, 对样品组份作出空间分辨无须与样品接触, 样品的物理状态也不成为一个因素, 固体样品可以是导体或非导体,单晶或非晶体。液态样品可通过聚焦激光束进入其内部而进行研究。近年来, 有助于激光诱导等离子体光谱研究的实验设备已有长足的改进。4脉冲激光的输出能量更稳定, 同时脉冲重复率得到增加。探测器的改进也有助于激光等离子体光谱技术的发展。尤其光学多道分析仪可让使用者在单次激光脉冲内收集到等离子体的发射光谱。另外, 强大的数学软件程序方便于光谱及数据库的操作。（2）
8、激光诱导等离子体的用途激光等离子体光谱分析方法具有高检测灵敏度, 可实现在线检测, 能够进行物质的快速定性定量分析等优点, 已经在许多研究领域得到了证实 , 如: 土壤分析、冶金和采矿工业、珍藏艺术品、陶瓷制品分析、组织器官分析和制药行业等。近年来, 所谓激光诱导击穿光谱学 (LIBS) 和激光诱导等离子体光谱学(LIPS) 等光谱技术所适用的样品范围越来越广 , 不仅对固体样品, 对气体和液体样品中物质成分的分析也取得了可喜成果。（3） 影响激光诱导等离子体的因素环境气氛对激光诱导等离子体发射光谱的影响非常明显。很多研究已经 1证明, 环境气压对激光诱导等离子体辐射的影响主要是由所谓“热库效
9、应”、“阴影效应”、“约束效应”引起的;受激光作用的材料性能对形成等离子体也有很大影响; 2受激光作用的材料性能对形成等离子体也有很大影响。 3（4） 激光诱导等离子体的过程在激光束作用下，固体材料表面因吸收光子而加热，并发生熔化，热电子从表面逸出形成自由电子，被熔化的样品为稠密等离子体，包含着原子、分子、离子、电子和团簇等，且沿着固体表面的法线方向高速扩散开来，形成等离子体羽。与此同时，固体表面附近的背景气体也因受激光照射发生等离子体击穿。处于高5温状态的等离子体内由于粒子间的碰撞，各种粒子将进一步分解与复合，样品的各种颗粒将进一步分解为分子、原子，原子离解为离子，电子与离子复合为原子等。2
10、.2.3 谱线的轮廓和半宽一般情况下，光谱线加宽是多种因素的贡献，如：Doppler加宽、Van der Waals加宽、Stark 加宽、共振加宽、仪器加宽等一定的等离子体环境中总有一种加宽机制起主导作用，这种主要的加宽机制决定着谱线的总体轮廓和宽度首先，由于辐射粒子的热运动造成Doppler 加宽，其线宽的一般表达式为：70.16/DTM（4）式中 是 Doppler 半宽， M 是原子量D其次，激发态和中性原子的感应偶极子相互作用产生Van der Waals加宽：0.7521T图 16（5）式中 是 Van der Waals 半宽 Stark加宽主要包括碰撞加宽和离子准静态场引起的加
11、宽两种对中性原子(如H I)和一次电离的离子谱线，其谱线加宽主要由电子碰撞引起，离子准静态库仑场引起的加宽只是作为一种修正因此，光谱线的实际轮廓是电子碰撞引起的Lorentz线形和离子准静态场及Doppler效应等引起的Gauss线形的混合计算表明，本工作的等离子体光谱中Stark加宽的贡献占主要地位， Doppler加宽和Van der Waals加宽比较小可以忽略，自然加宽(10 -4nm量级)、仪器加宽(不超过10 -2 nm)也都可以不计如果忽略Doppler 加宽和离子准静态场的影响，则可以近似用Lorentz函数拟合实验谱线Lorentz函数可以表示为：0224()cAyx（6）其
12、中 为谱线的半高全宽， 为中心波长， 为背景发射，A 为谱线的积分c0y面积2.2.4 电子密度对于 H I 和类 H 离子，谱线的半宽和电子密度有如下关系 3:32()(,)eesnCnT（7）其中 是 Stark 半宽，系数s15(,)3.60e3.结果405060708090104080120160Sample counts Wave nmHI 65.28nm图 2 空气的光谱图图2给出潮湿空气中得到的波长在420一960nm范围的激光诱导空气等离子体发射光谱光谱特征是在连续谱上叠加着一系列的分立谱线连续谱主要来7源于热电子的韧致辐射和电子一离子的复合辐射，分立的特征谱线由激发态原子和离
13、子的跃迁产生。600102030405060Sample countsWave nmSample Lorntz of SampleEquationy = y0 + (2*A/PI)*(w/(4*(x-c)2 + w)Adj. R-Square 0.9542ValueStandar ErorSampley0 568.958720.5717l xc .4361 .802Samplew 1.98 0.2l A 8428.501217.5138SampleH 50.34图 3 H 谱线展宽轮廓的 Lorentz 拟合曲线图 3 给出了 H 谱线展宽轮廓的 Lorentz 拟合曲线，其中 =1.19nm
14、,则s315 1732()3.60(.90).480enHcmcm 4 结论 通过学习光谱分析法，了解了原子发射光谱的含义，产生原因，以及相关的参数；另一方面，熟悉了关于等离子体的概念，特点和产生方式。此外，进一步了解各种类型的光谱仪和光栅的作用。本次实验，在空气中用 Nd:YAG 脉冲激光器产生的 1.06m 激光击穿空气产生等离子体， 观测了潮湿空气中激光诱导空气等离子体的空间分辨发射光谱。在此基础上，讨论了光谱的谱线轮廓及其主要的加宽机制，由 H 线的 Stark 加宽计算了等离子体的电子密度结果表明：此工作的等离子体环境中 Stark 加宽起主导作用，利用环境气体的谱线测量复杂元素等离
15、子体电子密度的方法是可行的参考文献：1 李忠文，袁萍等利用H线的Stark加宽计算激光诱导Cu等离子体的电子密8度J 原子与分子物理学报，2010,272 NIST Atomic Spectra Database (ADS)OL, available online: http:/: physics. nist.gov/. 20083 Griem H RPlasma spectroscopyMNew York： McGrawHil1，19644 Rosenwasser S , Asimellis G, Bromley B , et al . Spect rochim. , Acta Part B
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