科研動(dòng)態(tài)
鹽的激光感生電壓信號(hào)在納秒脈沖激光檢測(cè)中的應(yīng)用
中文題目：鹽的激光感生電壓信號(hào)在納秒脈沖激光檢測(cè)中的應(yīng)用
論文題目：Laser-induced voltage of table salt for deep ultraviolet pulsed laser detection
錄用期刊/會(huì)議：2023 China Automation Congress (EI)
原文DOI：10.1109/CAC59555.2023.10450599
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024-04-19
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） 王麗君 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 碩21
4） 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
5） 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
6） 詹洪磊 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:
本文提出了一種檢測(cè)納秒(ns)脈沖激光能量的方法。偏置電壓（Vb）和激光能量（Ein）對(duì)食鹽的激光感生電壓（LIV）信號(hào)幅值（Vp）影響較大，Vp隨Vb和Ein的增大而增大，信號(hào)響應(yīng)時(shí)間約為150μs。受阻抗效應(yīng)的影響，LIV信號(hào)的響應(yīng)速度和峰值Vp隨著負(fù)載（R）的減小而增大。當(dāng)R=100 Ω時(shí)，LIV的響應(yīng)時(shí)間與納秒脈沖激光相似（?20 ns）,完全受激光脈沖持續(xù)時(shí)間的限制。該研究表明，食鹽的LIV響應(yīng)具有實(shí)時(shí)超快單脈沖激光檢測(cè)的潛力。
背景與動(dòng)機(jī):
隨著納秒脈沖激光器應(yīng)用的普及，單脈沖激光能量的實(shí)時(shí)、精確測(cè)量成為了有待解決的技術(shù)難題。當(dāng)具有高能量通量的納秒脈沖激光照射到樣品上時(shí)，樣品表面會(huì)形成等離子體羽流，它們是微加工、元素分析、鉆孔等工程應(yīng)用中的主要研究對(duì)象。然而，這些等離子體受多種因素的影響（例如靶材特性、單脈沖能量、波長(zhǎng)、輻照頻率等等）。因此，如何測(cè)量快速單脈沖激光信號(hào)能量，提取、捕獲相關(guān)信息就更為關(guān)鍵和具有挑戰(zhàn)性。其中，激光誘導(dǎo)等離子體（LIP）在攜帶樣品信息的同時(shí)還可以作為信號(hào)源，被外接電路捕獲，生成激光感生電壓（LIV）信號(hào)。而食鹽因?yàn)榫哂袃r(jià)格低、獲取方便、在可見(jiàn)光譜透明等特點(diǎn)，我們選用食鹽為脈沖激光的檢測(cè)材料，進(jìn)行單脈沖能量的檢測(cè)和分析。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
圖1為激光輻照在樣品上產(chǎn)生的LIV響應(yīng)信號(hào)，隨著偏置電壓Vb和入射激光能量Ein的增加，信號(hào)的峰值（Vp）也會(huì)隨著電極接收到等離子數(shù)目的增加而增大。
圖1 （a）LIV響應(yīng)信號(hào)；（b）Vp隨Vb和Ein的函數(shù)關(guān)系
圖2顯示了LIV隨外接負(fù)載R的變化情況，受檢測(cè)電路阻抗的影響，信號(hào)的半高寬（FWHM）和峰值Vp均與R呈正相關(guān)。
圖2（a）LIV信號(hào)隨負(fù)載的變化；（b）半高寬和峰與負(fù)載R之間的關(guān)系
當(dāng)R=100Ω時(shí)，如圖3所示，受脈沖脈寬時(shí)長(zhǎng)的限制，響應(yīng)信號(hào)的半高寬一直維持在20 ns左右，Vp隨Vb的增加而增加。
圖3 負(fù)載為100Ω時(shí)，F(xiàn)WHM和Vp隨Vb的變化函數(shù)
圖4顯示了LIV的信號(hào)隨Ein的變化呈單調(diào)的正相關(guān)關(guān)系，單位偏壓下的探測(cè)響應(yīng)度為1.93 × 106 m1/2·J-3/2，且監(jiān)測(cè)到的LIV波形與脈沖激光的波形結(jié)構(gòu)類(lèi)似。
圖4 負(fù)載為100Ω時(shí)，LIV信號(hào)和Vp與Ein的變化
結(jié)論:
本研究基于食鹽的LIV響應(yīng)特征設(shè)計(jì)了測(cè)量超快單脈沖紫外激光器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載R的阻值，實(shí)現(xiàn)脈沖激光波形和能量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。LIV 響應(yīng)峰值Vp受Vb，Ein和R的影響。隨著R的降低，LIV的響應(yīng)速度增加。在R=100 Ω，食鹽檢測(cè)到的LIV信號(hào)響應(yīng)時(shí)間~20 ns，這近似于光源的脈沖寬度。該項(xiàng)工作為簡(jiǎn)單、低成本的ns脈沖激光實(shí)時(shí)表征提供了新的見(jiàn)解。
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Chemical Engineeeing Journal、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。