激光诱导等离子体概述【科研仪器非标】

   科研仪器非标利用高功率脉冲激光聚焦于致密介质表面产生等离子体，从20世纪60年代到目前已经受到半个多世纪的关注。

  基于激光诱导等离子体的各种技术也在基础研究与工业应用的多个方面发挥着重要作用。利用激光等离子体发射光谱定性和定量分析样品类型和性质，在航天、环境检测、食品安全等诸多领域 引起广泛关注，正朝着商业话应用快速发展。

  利用激光诱导等离子体改变介质介电属性，从而触发和控制间隙放电特性，在脉冲功率技术以及电力系统安全方面具有重要价值。利用激光烧蚀的薄膜沉积术，在20世纪80年代便成功制备出高温超导薄膜，之后更是在铁电材料、复杂氧化物以及巨磁电阻材料的制备上得到了广泛应用。

  迄今为止，人们研究了多种不同介质的激光诱导等离子体现象，并对其中的击穿机制进行了不懈的探索。然而随着上述技术的发展，人们发现对于激光诱导等离子体的认识还相当有限，难以满足迅速发展的各类应用领域的需求。这一方面源于激光诱导等离子体演化过程本身的复杂性，另一方面又因为其行为特征与多种因素密切相关。目前，诱导等离子体的激光脉冲宽度已覆盖毫秒、微秒、纳秒、皮秒甚至飞秒量级，其能量和功率密度也各不相同，由此导致的等离子体属性也各有其特殊性，从而其应用领域也各有区别。相对而言，纳秒激光诱导等离子体的用较为广泛。这主要是因为纳秒激光一方面较易获得比长脉冲宽周期激光更高的功率密度；另一方面，其建设和维护成本又远低于超短脉宽激光。就等离子体本身而言，纳秒激光诱导等离子体兼具长脉宽和超短脉宽激光诱导等离子体的部分特性，因此其研究更具有一般性。

  激光诱导等离子体的诸多应用和发展依赖于对其基本性质的深入理解和行为控制。科研仪器非标以大气环境下的纳秒脉冲激光诱导等离子体为例，其典型演化过程如图所示。

  其中，入射激光作用期间的激光与物质相互作用，包括激光与靶面相互作用，以及激光与等离子体相互作用，决定了激光诱导等离子体的早期行为，并对其后期演化特性具有关键性影响。

  激光入射到靶材表面时，一部分激光被反射，一部分激光被靶材吸收。激光的吸收和反射水平主要取决于材料的表面性质。靶面吸收激光能量，温度上升，汽化蒸发脱离靶面，对靶面造成不可逆破坏。激光烧蚀进行材料处理和机械加工主要就是利用这一过程。利用激光进行微加工，或制备纳米材料的效率依赖于每束入射激光烧蚀完成后从样品所剥离的材料质量，称为质量烧蚀率。

  金属蒸汽继续吸收激光能量，其电子从原子核剥离，当电离度高于一定阈值时，形成等离子体。等离子体的出现对激光与靶面的作用会产生重要影响。等离子体密度较高时，会对入射激光具有很强的吸收作用，使后续的激光很难到达金属靶面。等离子体吸收激光使靶面获得的激光能量减少，就像是在靶和激光之间架起了一道墙，称为等离子体屏蔽效应。所以激光对靶面的烧蚀率并非会随着激光功率上升而一直提高，而会在某一点达到饱和，其变化本质是非线性的，具体表现为：当利用激光进行金属薄膜穿孔试验时，当激光能量密度较小，随着激光能量密度的上升，穿透金属膜的激光发次下降，然而当超过某一激光能量密度阈值后，所需要的激光发次反而明显提高。科研仪器非标等离子体本身具有很高的温度和压力，与靶面之间也会存在复杂的能量交换过程。

  物质被激光聚焦击穿后，产生的等离子体沿着激光入射时的路径发展，此时的速度在10km/s～100km/s的量级。等离子体对激光能量的吸收过程也往往发生在等离子体膨胀波的前沿，此时等离子体的膨胀主要是靠吸收激光能量来驱动，称为激光支持吸收波。随入射激光功率的不同，激光支持吸收波又可根据入射激光能量的大小再分为激光支持燃烧波和激光支持爆轰波。激光能量较低时，激光能量吸收界面在等离子体前沿，燃烧波以亚声速逆激光传播；当激光能量足够时，等离子自体前端的冲击波前沿吸收了绝大部分激光能量，爆轰波以超声速逆激光传播。

  入射激光在等离子体中的吸收主要可归因于两者机制：逆韧致辐射和光电离过程。逆韧致吸收通常是指原子或离子附近的自由电子捕获光子而获得更高的能量，期间自由电子和原子（或离子）保持动量守恒。光电离作用则通常发生于易电离气体混合物。入射激光使等离子体电离度和温度不断升高，若等离子体密度达到某一临界值，入射激光将不能通过等离子体达到样品表面。这一临界值与激光波长相关。入射激光作用完成后，科研仪器非标等离子体将进一步向空间传播，其参数不断发生变化，并且变化过程与环境气体密度密切相关。