激光誘導(dǎo)熒光光譜診斷系統(tǒng)

• 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倫相互作用的長程特性，是帶電粒子組分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對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。而對于中高氣壓環(huán)境下產(chǎn)生的非熱低溫等離子體來說，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)對等離子體電離過程和穩(wěn)定性控制也起著非常重要的作用，尤其是各種長壽命亞穩(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)，還需要對等離子體中的中性粒子進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)測量，來獲得有關(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)專門針對等離子體開展診斷研究的技術(shù)門類，如對等離子體中電子組分的診斷技術(shù)有朗繆爾探針法（Langmuir 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裝置可以測量中性基團(tuán)和離子的相對速度、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)，再從激發(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，通過測量熒光光強(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)間長度低于微妙量級，必須采用脈沖寬度在納秒量級的激光來激發(fā)熒光，這種診斷方法因此被稱作激光誘導(dǎo)熒光（LIF）。

圖1. LIF基本原理圖

圖１[1]為LIF的基本原理圖，在一個(gè)三能級系統(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  和激光頻率滿足關(guān)系式 時(shí)，才能通過相應(yīng)的激光激發(fā)被泵浦到激發(fā)態(tài)。對入射激光頻率進(jìn)行掃描變換，測量相應(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)波長不同，因此我們選擇了波長可調(diào)諧的納秒脈寬染料激光器，通過添加不同的染料，輸出不同的波長對被測試的粒子和基團(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，這些信號經(jīng)由相關(guān)的搜集光路被捕獲到光譜儀與ICCD探測器組成的光譜探測系統(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波長選擇舉例

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

2. 要測H（氫）等離子體，激光波長需要205nm

3. 測CF等離子體 需要261nm

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

所以LIF的波長范圍應(yīng)該根據(jù)要觀測的等離子體放電的氣體種類及觀測那條譜線來決定

2.4、硬件配置推薦

 根據(jù)用戶需求，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、 探測器：

 ICCD, 18mm 增強(qiáng)器，13*13mm 探測面；

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 等請咨詢卓立漢光銷售人員！

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.