科研動(dòng)態(tài)
基于食鹽激光感生電壓的超快紫外激光脈沖檢測(cè)
中文題目：基于食鹽激光感生電壓的超快紫外激光脈沖檢測(cè)
論文題目：Laser-induced voltage of table salt for deep ultraviolet pulsed laser detection
錄用期刊/會(huì)議：iScience (中科院大類(lèi)2區(qū)，JCR Q1)
原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109424
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258900422400645X
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024年4月19日
作者列表：
1） 劉學(xué)聰 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 博22
2） 趙 昆 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院材料科學(xué)與工程系教師
3） 苗昕揚(yáng) 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院材料科學(xué)與工程系教師
摘要:
為滿(mǎn)足超快深紫外（UV）脈沖激光探測(cè)器響應(yīng)快、過(guò)程簡(jiǎn)單的要求，本工作采用食鹽作為激光檢測(cè)材料，結(jié)合可變電阻實(shí)現(xiàn)單脈沖激光檢測(cè)和等離子體動(dòng)力學(xué)過(guò)程檢測(cè)，建立了激光感生電壓（LIV）的等效電路模型。在KrF準(zhǔn)分子激光器照射下，樣品的LIV響應(yīng)受激光誘導(dǎo)等離子體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程影響，響應(yīng)趨勢(shì)符合等離子羽流的空間演化特征函數(shù)。LIV的振幅（Vp）與系統(tǒng)施加的偏置電壓（Vb）和入射激光能量（Ein）呈正相關(guān)關(guān)系，與響應(yīng)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)可變電阻（R）減小到14.7 Ω時(shí)，LIV的響應(yīng)時(shí)間縮減到與激光脈沖的脈寬相同的時(shí)間（～20 ns），最終實(shí)現(xiàn)了紫外單脈沖能量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
背景與動(dòng)機(jī):
靶材表面在高能激光的照射下會(huì)產(chǎn)生快速膨脹的熱和部分電離的蒸氣羽流，常被應(yīng)用于精密微加工、診斷技術(shù)、醫(yī)學(xué)、材料加工、納米級(jí)合成等領(lǐng)域，因此受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。其中高能脈沖激光輻照下產(chǎn)生的等離子羽流信息不僅可以作為靶材定量和定性分析的重要參數(shù)，還可以作為信號(hào)源，被外部電路檢測(cè)收集。近些年來(lái)，隨著激光加工工藝和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，實(shí)時(shí)測(cè)量紫外脈沖激光器的特性信息至關(guān)重要，特別是對(duì)于單脈沖激光能量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。然而，高能紫外脈沖激光器由于其熱效應(yīng)低、脈沖寬度窄，對(duì)傳統(tǒng)的激光能量檢測(cè)系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。而高能激光輻照下產(chǎn)生的等離子體羽流受單脈沖激光能量的影響，因此激光誘導(dǎo)等離子檢測(cè)有望成為深紫外單脈沖監(jiān)測(cè)的利器。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
如圖1所示，本文以波長(zhǎng)為248 nm，脈寬為20 ns的紫外脈沖激光為激發(fā)光源，輻照在樣品上的脈沖能量為13 到 25 mJ 之間可調(diào)。樣品被放置在一個(gè)方形的石英比色皿中。四根銅電極分別連接 Keithley 2400數(shù)字源表、負(fù)載和示波器，用于提供外場(chǎng)和檢測(cè)LIV響應(yīng)信號(hào)。
圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置示意圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
圖2為系統(tǒng)檢測(cè)到的單脈沖激光輻照下的LIV響應(yīng)信號(hào)，基于Maxwell–Boltzmann理論建立的離子膨脹函數(shù)模型，數(shù)據(jù)可以由三個(gè)指數(shù)函數(shù)擬合，因此，LIV響應(yīng)信號(hào)特征受等離子的空間動(dòng)力學(xué)過(guò)程影響。
LIV響應(yīng)的擬合參數(shù)：
LIV (t)/Ein = – A1e-t/τ1 – A2e-t/τ2 + A3e-t/τ3
圖2 食鹽LIV響應(yīng)的時(shí)間演化函數(shù)
如圖3所示，LIV響應(yīng)的三個(gè)指數(shù)函數(shù)分別對(duì)應(yīng)等離子體羽流的電離產(chǎn)生、膨脹和復(fù)合過(guò)程。
圖3 等離子體的（A）產(chǎn)生過(guò)程、（B）膨脹過(guò)程、（C）復(fù)合過(guò)程
圖4和圖5為激光能量（Ein）和偏置電壓（Vb）對(duì)LIV響應(yīng)參數(shù)的影響。LIV的響應(yīng)隨Ein和Vb增加而增加，LIV信號(hào)的半高寬（FWHM）和上升時(shí)間（tr）隨Ein和Vb的變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)Ein=22.3 mJ時(shí)，LIV的響應(yīng)度R*最大為8.07 V/J。
圖4 不同激光輻照能量下的（A）LIV響應(yīng)曲線(xiàn)和（B）信號(hào)參數(shù)和Ein之間的函數(shù)關(guān)系
圖5 LIV信號(hào)參數(shù)和Vb之間的函數(shù)關(guān)系
圖6和圖7為并聯(lián)負(fù)載電阻R后的LIV響應(yīng)信號(hào)和參數(shù)特征，LIV受阻抗效應(yīng)的影響，R*，F(xiàn)WHM和tr均正比于R。當(dāng)固定電阻為14.7Ω時(shí)，受電路中RC常數(shù)的影響，食鹽的LIV響應(yīng)時(shí)間與輻照激光的脈寬一致（?22 ns），并且ln(Vp)∝Ein。
圖6 （A）LIV信號(hào)隨負(fù)載的變化；（B）R*、FWHM和tr與R的函數(shù)關(guān)系
圖7 LIV信號(hào)參數(shù)和Vb之間的函數(shù)關(guān)系
如圖8所示，整個(gè)LIV測(cè)試電路可以等效為電容和電阻并聯(lián)的RC電路，電路在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)到的阻抗變化由結(jié)構(gòu)阻抗和樣品產(chǎn)生的等離子體阻抗，因?yàn)長(zhǎng)IV受電路阻抗的影響，所以Vp會(huì)隨著R的變化而單調(diào)增加。
圖8 （A）測(cè)試的等效電路；（B）等離子體鞘層示意圖
結(jié)論:
利用實(shí)驗(yàn)的LIV響應(yīng)特征，結(jié)合阻抗效應(yīng)實(shí)現(xiàn)單脈沖紫外激光器的快速檢測(cè)。整個(gè)LIV 響應(yīng)受等離子體動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響，信號(hào)的Vp、FWHM和rt與Vb、Ein和R相關(guān)。當(dāng) R=14.7 Ω時(shí)，整個(gè)測(cè)試電路的阻抗與示波器匹配，LIV響應(yīng)時(shí)間等于激光脈沖寬度 （≈20 ns），響應(yīng)度R*為～0.17 V/J，ln（Vp）線(xiàn)性依賴(lài)于Ein(斜率：～0.17 ln(mV)/mJ)。這里展示了一種檢測(cè)和分析激光-物質(zhì)相互作用的方法，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)單脈沖激光脈沖能量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
作者簡(jiǎn)介:
劉學(xué)聰，博士研究生，研究方向?yàn)橛蜌夤鈱W(xué)探測(cè)技術(shù)。在Chem. Eng. J、IEEE Sens. J、IEEE Trans. Instrum. Meas等期刊發(fā)表論文19篇，其中第一作者SCI論文9篇。獲第十三屆王濤英才獎(jiǎng)學(xué)金、2024年中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)二等獎(jiǎng)學(xué)金、2023年中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀學(xué)術(shù)成果等獎(jiǎng)項(xiàng)。
通訊作者簡(jiǎn)介:
趙昆，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛蜌夤鈱W(xué)探測(cè)技術(shù)與智能制造。