• 前言

作為物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)的等離子體通常由電子、離子和處于基態(tài)以及各種激發(fā)態(tài)的原子、分子等中性粒子組成。等離子體中帶電離子間庫(kù)倫相互作用的長(zhǎng)程特性，是帶電粒子組分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)等離子體特性的影響起決定性作用，其中的電子是等離子體與電磁波作用過(guò)程中最重要的能量與動(dòng)量傳遞粒子，因此，等離子體中最重要的基本物理參數(shù)是電子密度及其分布以及描述電子能量分布的函數(shù)以及相應(yīng)的電子溫度。而對(duì)于中高氣壓環(huán)境下產(chǎn)生的非熱低溫等離子體來(lái)說(shuō)，等離子體中的主要組分是處于各種激發(fā)態(tài)的中性粒子，此時(shí)除了帶電粒子外，中性粒子的分布和所處狀態(tài)對(duì)等離子體電離過(guò)程和穩(wěn)定性控制也起著非常重要的作用，尤其是各種長(zhǎng)壽命亞穩(wěn)態(tài)離子的激發(fā)。

為了可以充分描述等離子體的狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)上不僅要對(duì)帶電粒子的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行診斷，如電子溫度、電子密度、電離溫度等參數(shù)，還需要對(duì)等離子體中的中性粒子進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，來(lái)獲得有關(guān)物種的產(chǎn)生、能量分布以及各個(gè)激發(fā)態(tài)布居數(shù)分布等信息，如氣體溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度、振動(dòng)溫度、激發(fā)溫度等參數(shù)。

基于這種要求，結(jié)合相關(guān)學(xué)科的各種技術(shù)形成了一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)等離子體開(kāi)展診斷研究的技術(shù)門(mén)類(lèi)，如對(duì)等離子體中電子組分的診斷技術(shù)有朗繆爾探針?lè)ǎ↙angmuir Probe），干涉度量法(Interferometer)，全息法(Holographic Method)，湯姆遜散射法(Thomason Scattering, TS)，發(fā)射光譜法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，對(duì)離子組分的光譜診斷技術(shù)有光腔衰減震蕩(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和發(fā)射光譜法(OES)，而對(duì)中性粒子的光譜診斷技術(shù)包括了吸收光譜法(Absorption Spectroscopy, AS)，發(fā)射光譜法(OES)，單光子或者雙光子激光誘導(dǎo)熒光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等。

二、激光誘導(dǎo)熒光（LIF or TALIF）

LIF在等離子體上的應(yīng)用診斷開(kāi)始于1975年左右，首先是由R.Stern和J.Johnson提出的利用LIF裝置可以測(cè)量中性基團(tuán)和離子的相對(duì)速度、速度分布函數(shù)等。90年代后，LIF被陸續(xù)應(yīng)用到了ECR、ICR、磁控管、螺旋波HELIX、ICP以及微波驅(qū)動(dòng)CVD等等離子體源中。

2.1、 等離子體 LIF診斷的基本模型

處于基態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的粒子吸收具有一定能量的光子后被激發(fā)，再?gòu)募ぐl(fā)態(tài)衰變?yōu)樽孕嘀囟认嗤幕鶓B(tài)或低能態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)出熒光輻射。而熒光光強(qiáng)與粒子數(shù)成正比，因此，通過(guò)測(cè)量熒光光強(qiáng)，可以確定處于基態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的粒子密度。由于這種熒光發(fā)射的時(shí)間長(zhǎng)度低于微妙量級(jí)，必須采用脈沖寬度在納秒量級(jí)的激光來(lái)激發(fā)熒光，這種診斷方法因此被稱(chēng)作激光誘導(dǎo)熒光（LIF）。

圖1. LIF基本原理圖

圖１[1]為L(zhǎng)IF的基本原理圖，在一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)中：離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)照射激光能量等于躍遷激發(fā)的能量，離子被泵浦到激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，離子又會(huì)迅速退激到基態(tài)并輻射出熒光。在激發(fā)態(tài)上停留時(shí)間很短暫（一般只有幾納秒寬度）。由于離子不是靜止的，根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，在激光傳輸方向上存在一個(gè)速度選擇，只有在激光傳輸方向上滿(mǎn)足一定速度的離子才能被特定頻率的激光誘導(dǎo)激發(fā)：窄帶激光束（ωlaser，κlaser）入射，在入射方向上，只有離子速度  和激光頻率滿(mǎn)足關(guān)系式 時(shí)，才能通過(guò)相應(yīng)的激光激發(fā)被泵浦到激發(fā)態(tài)。對(duì)入射激光頻率進(jìn)行掃描變換，測(cè)量相應(yīng)的熒光光強(qiáng)變化，就能得到亞穩(wěn)態(tài)離子速度分布函數(shù)在入射激光方向上的投影。如果假定亞穩(wěn)態(tài)離子溫度和主體基態(tài)離子溫度一致，離子速度分布函數(shù)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)即可獲得。

2.2、 典型LIF實(shí)驗(yàn)架構(gòu)與世界上的LIF架構(gòu)參考

如圖2所示，為典型的等離子體裝置LIF診斷實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖。

圖2 典型的等離子體LIF診斷架構(gòu)圖

因?yàn)榛鶊F(tuán)和粒子的激發(fā)波長(zhǎng)不同，因此我們選擇了波長(zhǎng)可調(diào)諧的納秒脈寬染料激光器，通過(guò)添加不同的染料，輸出不同的波長(zhǎng)對(duì)被測(cè)試的粒子和基團(tuán)進(jìn)行激發(fā)，從而得到激光誘導(dǎo)的熒光衰減與光譜信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)由相關(guān)的搜集光路被捕獲到光譜儀與ICCD探測(cè)器組成的光譜探測(cè)系統(tǒng)中，從而得到光譜、強(qiáng)度與時(shí)間尺度的三維熒光光譜，讓研究人員進(jìn)行相關(guān)的分析。圖中所用的DG535/645作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)序控制裝置。

圖3到圖4為世界上比較典型的不同等離子體裝置的LIF診斷情況。

圖3. University of Greifswald  LIF診斷系統(tǒng)（H原子）

圖4. IHP LIF診斷系統(tǒng)

2.3、典型的LIF波長(zhǎng)選擇舉例

1. 對(duì)Ar等離子體和He等離子體放電，常用的激光器波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍不需要太寬

2. 要測(cè)H（氫）等離子體，激光波長(zhǎng)需要205nm

3. 測(cè)CF等離子體 需要261nm

4. 同時(shí)測(cè) Ar等離子體的LIF，因?yàn)橛^測(cè)另一條譜線(xiàn)，所用的激光波長(zhǎng)又是611nm的

所以LIF的波長(zhǎng)范圍應(yīng)該根據(jù)要觀測(cè)的等離子體放電的氣體種類(lèi)及觀測(cè)那條譜線(xiàn)來(lái)決定

2.4、硬件配置推薦

 根據(jù)用戶(hù)需求，一般推薦的配置如下：

1、染料可調(diào)激光器：可選配置從200-4500nm 寬范圍調(diào)諧

2、 光譜儀：

• ? Zolix 北京卓立漢光儀器有限公司的Omni-500I 或750I光譜儀搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光柵

• ? 207或者205高光通量光譜儀，搭配110*110mm 的大尺寸1200l/mm光柵和1800l/mm光柵

2、 探測(cè)器：

 ICCD, 18mm 增強(qiáng)器，13*13mm 探測(cè)面；

3. DG645：用于系統(tǒng)觸發(fā)控制的時(shí)序單元

4. 其他光學(xué)平臺(tái)及光路設(shè)計(jì)等

5.  光電倍增管PMT/鎖相放大器/ Boxcar 模塊 等請(qǐng)咨詢(xún)卓立漢光銷(xiāo)售人員！

參考文獻(xiàn)

[1] 趙巖, 柏洋, 金成剛, 等．激光誘導(dǎo)熒光在低溫等離子體診斷中的應(yīng)用[J]. 激光與紅外, 2012, 4(42): 365-371.