Двухимпульсное возбуждение лазерной плазмы для целей дистанционной диагностики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

/ 1-

Р0СС1ШСКАЯ АКАЛЕМИЯ НАУК. ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ .

На правах рукописи УЛК 621.3

БУХАРОВ АЛЕКСЕЯ ЮРЬЕВИЧ

ДВУХИМПУЯЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ

01.04.01 - техчика физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследования

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Институте космических исследований Российской АН.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Першин С. М,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Бункин Алексея Федорович

кандидат физико-математических наук Жданов Борис Владимирович Ведуцая организация: Харьковский физико-технический институт Защита состоится •■ -Г4 - «•¿¿■СМЦ»^ 1992 г. в ■«г часов на заседании Специализированного Совета №1 (шифр К 053.05.021) Отделения радиофизики физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, ИГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики, конференц- зал КНО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан •Об" ЛЛ£и# 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета ^¿еленйя радиофизики физичесхогр.^куггътёта. МГ/ " \ кандидат .-физика-. /

математических лаук^ ^У - А. И. Гомонова

- .1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

!3 настоящее время большой интерес вызывает проблема анализа элементного состава конденсиропанных сред по оптическим спектрам иллучения рекомбинирующей плазмы, образовавшейся при воздействии ¡жилого лазерного излучения на поверхность исследуемого тела, для развития дистанционных бесконтактных методов как удаленны::, так и близко расположенных объектов при наличия воздуиной атмосферы или оптически прозрачноп преграды меяду образцом л анализатором в задачах материаловедения. Это обусловлено тем, что возможности используемых в настоящее время бескснтактнга методов определения элементного состава поверхности, например, по спектрам отражения и масс-спектрам разлетавшихся ионов лазерной плазмы, зачастую не позволяют проводить анализ с необходимой точность*) и надежностьп и накладывает гестаиэ ограничения ¡¡а условия проведения анализа.

Являясь гораздо менее чувствительны?! к условия;< проведения эксперимента Сдавленно атмосферы, впеанио элисгромапштпне поля, наличие оптически прозрачной прегради могду образце:.; и анализатором), метод лазерного сшссиошюго спектрального анализа является во многих случаях предпочтительное других методов.

Наиболее сильно его преимуцэстпа проявляются при анализе канцерогенных и химически активных соединения как в процессе сыраштания, так л конечного продукта з отпаяных ¡еззрцемм колбах без их разгормоткзашш, что особенно вахно для задач материаловедения.

Вахным фактором, во многом определявшим параметры спектра и аналитичэске возможности метода, являются особенности газовой фазы, в которой находится исследуемый объект. Наименее подходящей считается воздушная атмосфера при нормальном давлении. Совокупность физико-химических процессов в этих условиях приводит к уменьшению степени атомиоации экстрагированного вещества, увеличении сплошного фона в спектре, большому уширенио спектральных линий, и, следовательно, к низкой чувствительности метода и высокому пределу обнаружения примесей.

Многочисленные исследования способов понижения предела обнаружения привели к разработке нескольких методик микроспектрального анализа элементного состава поверхности с .лазерной атомизацией, использование которых в дистанционном бесконтактном анализе, несмотря на их достаточно низкий порог обнаружения, невозможно.

Сказанное выше характеризует актуальность разработки и физического исследования предложенного нами нового метода двухимлульсного возбуждения лазерной плазмы, 'позволявшего повысить чувствительность дистанционного прямого лазерного спектрального анализа элементного состава конденсированных сред в воздухе атмосферного давления.

Цель работы:

1. Обосновать, развить и экспериментально исследовать возмогаости предложенного нами нового метода дьухимпуяьсного возбуждения приповерхностной лазерной плазмы для повышения светимости и контраста спектральных линий элементов мишени и.

соответственно, снижения пределов обнаружения микропримёсея при проведении лазерного эмиссионного микроспектрального анализа а атмосфере.

2. Исследовать физический механизм повышения светимости и контраста эмиссионных спектров эрозионной лазерной плазмы при переходе от одно- к двухишульсному режиму облучения при умеренных потоках мощности'лазерного излучения ч^Ю'+Ю" Вт/смг и длительности импульсов ■Ч0"°с.

3. Экспериментально исследовать возможность дистанционного анализа малых примесей в образце '"с использованием двухиетульсного возбуждения лазерной плазмы на поверхности при атмосферном давлении воздуха.

4. Разработать и создать автоматизированный спектрометрический комплекс реального времени для регистрации и обработки спектрометрической информации в дистанционно» и лабораторном вариантах анализа в спектрально« диапазона 350+750 !Ш.

Научная ковнзиа работы состоят в то«, что впервые:

- предложен, обоснован и экспериментально исследован ног«Л метод-дзухикпульсиого возбуядеиия лазерной плазмы с повышение« светимости и контраста эмиссионных спектров мишени. Зарегистрировано значительнее повияениэ светимости и контраста спектральных линий мишени с одновременным подавлением свечения атмосферных газов в факеле, образованной вторым лазерным импульсом;

экспериментально исследован физический механизм, приводящий к трансформации эмиссионных спектров факела,

образованных вторым лазерным импульсом, показано существенное различие функций первого и второго лазерных импульсов и их вклада в формирование интегрального спектра мишени;

- на основе проведенных физических исследований показаны возможности оптимизации режима облучения Исследуемой поверхности и методики регистрации спектров прй двухимпульсном облучении, позволяющие дополнительно (более чем в 100 раз) увеличить контраст эмиссионного спектра и, соответственно, снизить относительный предел обнаружения примесей. При этом первый импульс используется £ качестве формирователя среды, в которой взаимодействует о поверхностью второй импульс;

- получено 10-кратное увеличение чувствительности метода в схеме дистанционного лазерного микроанализа, позволяющее понизить относительный порог обнаружения микропримесей в матрице до уровне 10"

- разработаны и физически исследованы новые оригинальные варианты двухимпульсных твердотельных лазеров как с постоянной, так и с перестраиваемой задержкой между импульсами в диапазоне 0,02-20 мкс.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- предложенный и> исследованный метод двухимпульсного возбуждения лазерной плазмы позволяет, Используя все преимущества прямого лазерного микроспектрального анализа для дистанционной диагностики элементного состава образцов в атмосфере, более чем в 10 раз увеличить его чувствительность;

- выявлены области оптимальной отстройки поверхности облучаемой мишени в каустике лазерного пучка от положения

фокуса при фиксированной интенсивности для получения максимального контраста эмиссионных спектров. Исследованы возможности оптимизации режима возбуждения и регистрации спектров с целью повышения чувствительности анализа;

- созданный спектрометрический комплекс позволяет в дистанционных и лабораторных схемах осуществлять регистрирацип и анализ эмиссионных спектров лазерной плазмы з широком спектральном диапазоне.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные результаты, свидетельствующие о значительном повышении чувствительности прямого лазерного эмиссионного ыикрослвктрального анализа в атмосфере при перехода от одно- к пвухииульснсмх- возбуздешш лазерной плазмы в лабораторной и дистанционной схемах.

2. Физическая интерпретация механизма взаимодействия двухимпульсного лазерного излучения о поверхностью в атмосфера, приводящего к повышении светимости и контраста спектральных линий мишени в факеле, образованном вторым лазерным импульсом.

3. Разработка и создание экспериментальной установки для регистрации и анализа эмиссионных спектров.

4. Разработка, создание и результаты численного и физического исследования оригинальных двухимпульсных ИАПШ1* лазеров, позволяющих реализовать предложенной режим.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях и совещаниях:

1. Всесоюзной научно-технической конференции "Метроло-гия-86" (Харьков, 1988 г.)

2. V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград,

1388)

3. VII Всесоюзной конференции "Взаимодействие оптического излучения с веществом" (Ленинград, 1988)

4. II Всесоюзном семинаре "Физика быстрспротекаваих процессов" (Гродно, 1389)

5. IV Международном семинаре "Научное космическое приборостроение" (СССР, Фрунзе, 1989)

6. XIV Международной конференций По когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991)

Основные результата диссертации опубликованы 6 шести статьях, список которых приведем 6 конце автореферата.

Яичный вклад соискателя

Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит разработка экспериментальной установки и получение результатов. Автор принимал непосредственное участие в проведений всех экспериментов, а также а обработке и интерпретаций полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения и списка литературы, содергздего 84 наименования. Содержание диссертации, вкппчая 41 рисунок, изложено на 137 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРГАДШ '

Во введении /формулируется цель и задачи исследования, показана их актуальность, рассматривается содержание диссертации по главам.

Первая глава посвящена анализу применимости различных методов лазерного эмиссионного спектрального анализа для дистанционной диагностики элементного состава удаленных объектов в воздухе атмосферного давления. Дан • сравнительный анализ их достоинств и недостатков. Показано, что область применения единственно возможного для дистанционной диагностики прямого анализа по первичным эмиссионным спектрам лазерной плазмы ограничивается низкой чувствитзльностьо метода, обусловленного невысоким качеством спектра элементов мишени вследствие эффекта низкопорогового оптического пробоя, экранирующего поверхность мшени от подвода лазерного излучения и тем самым препятствующего нагреву ее паров до высоких температур. Кроме того, образующаяся воздушная плазма является модным источником непрерывного фонового излучения, еннжаеаим контраст спектральных линий. Подробно рассмотрен традиционный путь повьшения контраста н светимости спектральных линий элементов мишени - возбуждение плазмы лазерный импульсом на наследуемой поверхности с пониженной плотностью окружающего газа, ограничивающий область применения метода лабораторкшн Сразмеиенда в вакуумной камере) я косшческими (условия открытого косыосаЗ исследованиям!. Представлены результаты наших пробных экспериментов, показывасаих, что дзухикпульснсе

- о -

облучение поверхности позволяет в схеме дистанционного прямого лазерного микроанализа в воздухе атмосферного давления получить существенно более качественные эмиссионные спектры атомов и ионов мишени, увеличить энерговклад лазерного излучения в мишень без использования дополнительных вакуумных и электронных устройств.

Во второй главе изложены результаты экспериментального исследования оригинальных импульсных НАГ: Ш3* лазеров с активной и пассивной модуляцией добротности резонатора, использующихся при проведении экспериментальных работ и генерирующих одиночные и парные импульсы длительности 40 кс, следующие друг за другом с перестраиваемой в диапазоне 0,02^20 мкс задержкой и обеспечивающие плотность потока могшооти на облучаемой поверхности 10%10" Вт/см®.

В § 2.1 приведены результаты численного оксперимента по исследования модели нового режима генераций двух импульсов ь ИАГ.-Ш**лазере с пассивной модуляцией добротности на кристалле 1,1 Г с управляемой в диапазоне 20-100 йс задержкой между импульсами. Численная модель двухимпульсного лазера базировалась на концепции динамики пространственно разнесенных поперечных мод резонатора, уравнения которых решаются независимо, но являются обязанными через закон дифракционных потерь. Управление задержкой между импульсами осуществлялось с помооью внутрирезонаторной диафрагмы с изменяемым диаметром, позволяющей менять отношение потерь для различных -поперечных мод. На основе развитой численно« модели реализован лазер, содержаний в резонаторе ирисовую диафрагму с изменяемым диаметром. Полученная в фиэмчесхсм эксперименте зависимость

временного интервала между импульсами от величины дифракционных потерь в резонаторе лазера хорошо согласуется с результатами численного моделирования.

Для увеличения диапазона изменения задержек между импульсами был разработан и создан двухимпульсный ИАГ: ^'*лазер с активной модуляцией добротности (§ 2.2) .Задержка между импульсами регулировалась в пределах 0,1+20 мкс. Лазер содержал два одинаковых канала генерации. Временная синхронизация оптических наносекундньга импульсов осуществлялась путем синхронизации электрических ишульсов, открывающих злектрооптическиэ затворы в каналах генерации. Для реализации моностатической схемы с одним приемо-передагацим объективом два пучка сводились в один на .поляризационном зеркале.

Опираясь на результаты расчета § 2.1, <3ыл разработан и экспериментально исследован малогабаритный эффективный одноМодовый двухимпульсный ИАГ: Мс^'лааер с пассивной модуляцией добротности Я постоянным временным интервалом между импульсами 2012 мкс (§ 2.3), широко использусаийся при проведении экспериментов. Предложенная оригинальная оптическая схема лазера с оптической отрицательной обратной связью, препятствующей развитие высших мод резонатора, позволила реализовать без дополнительных внутрирезонаторных пространственных селекторой стабильный одномодовый режим генерации с эффективностьо 0,5^.

В третьей глазе дано описание экспериментального комплекса спектрометрической аппаратуры, приведены результаты экспериментальных исследований трансформации эмиссионных спектров факела лазерной плазмы при перехоле от олно- к

двухимпульсному облучению мишени и при варьировании геометрии облучения.

В состав лазерного комплекса для исследования эмиссионных спектров вошли (§ 3.1): система создания лазерной плазмы -оптического генератора наносекундных иыпульсоп на ИАГ: Hd*' с пассивной модуляцией добротности на кристалле LlF-синхронизированная с системой регистрации, обработки и хранения спектрометрической информации, состоящей из оптического многоканального анализатора 0VA-284, блока скоростных фоторегистратороэ и сопрЯЕенного с конохроматором. комплекса СВИТ, и позволите fi исследовать пространственно-времэнныэ характеристики излучения спектральных компонент факела. Спектры свечения регистрировались без накопления 2а одну вспышу лазера, шшень от вспышки к вспышке перемещалась.

В § 3.1 показано, что при переходе к двухиыпульснолзу режиму облучения поверхностя кишемя проявляются некоторые особенности:

- трансформируется спэктр свечения плазш: спектр обогааа-ется новыми спектральные« лшшяш элементов кишени, например A1II 458.5 , 466.3 , 559.3 , 624.3 , 683.7, 704.2 , 705.6 нм; А1Ш 451.2 , 452.9 , 559.6, 572.3 ны (рис. 1, a-одно-, <5- двух-иипульсное облучение), Ball 585.3 ни, что позволяет повысить надежность анализа элемзнтаого состава образца, повышается степень ионизации плазны:

- более чем на порядок увеличивается светимость и контраст спектральных линий в факеле, образованном вторь™ лазерным шшульсом, что позволяет улучшить абсолютный и относительный пределы обнаружения спектрального анализа,

-11 -

- увеличение контраста спектральных линий элементов мишени обусловлено главным образом ростом эффективности преобразования излучения второго импульса в излучение элементов мишени без заметного увеличения свечения фона.

В § 3.2 приведены результаты экспериментов по исследовании изменения светимости и контраста линий алюминия при перемещении мишени вдоль каустики. Показано, что существуют области оптимальной отстройкй от точной фокусировки на поверхность образца, в которой селективно повышается интенсивность линий элементов мишенй при практически неизменном уройнэ сплошного

Рйс.1.

спектра тормозного излучения электронов и интенсивности спектральных линий атмосферных газов Сйа интегральном от всех импульсов спектре). Таким образом прй фиксированно!» интенсивности излучений варьированием диаметра пучка на мишени достигаются оптимальные условия возбуждения плазмы для

получения максмального контраста спектральных линий. Для лазерного импульса с параметрами Ч2£+5х10°Вт/см*, тМ0"'с оптимальный диаметр пятна излучения на мишени в условиях данного эксперимента составлял d *» 0,5*0,7 мм.

В четвертой гласе приведены результаты эксперментального исследования пространственно-временного распределения атомов и ионов элементов мишени в плазменном факеле, получаемой при одно- я двухимпульсном облучении образцов из стекла ЯС4 и алюминия в атмосфере С§ 4.1). Выявлено пространственное и временное эшелонирование sou свечения различной кратности в факеле, образованным вторым лазерным импульсом. Показано, что пространственная и временная селекция излучения факела позволяет отсечь йыгтрсрелаксйрувиий непрерывная фон и более чем в 100 раз увеличить контраст спектральных линий элементов мишени, тем самым значительно повысив чувствительность лазерного иккроспектральнсго анализа.

В § 1.2 изложены результаты экспериментальных исследования распределения температуры в факелах, образованных первым и вторым лазерными импульсами. Температура определялась по относительным интегральным иитеиенвностям спектральных линий Ball 490,1 нм, Ball 614,1 ни и Bait 549,6 ны. Эарегистрированое увеличение температуры плазмы вблизи поверхности мишени с 8000 К до 20000 К от первого и второго импульса соответственно непосредственно свидетельствует об увеличения поглоаенной моаности лазерного излучения поверхностью и парами мишени.

В § 4.3 на основе цоделк точечного взрыва проведены оценки скоростей релаксация давления и температуры приповерхностной осдасгн. Показано, что давление вблизи мишени сравнивается с

атмосферным спустя ~ 10 мкс после лазерного импульса, тогда как температура и через 100 мка остается на уровне * 5000 К. Тем самым вблизи поверхности формируется область с пониженной плотносты) Воздуха 2^.5) х10"*ра>, что уменьшает экранирующее воздействие атмосферы для транспортировки энергии второго импульса к поверхности мишени при задержках менее 100 мкс. Одновременно у поверхности к приходу второго импульса формируется облако паров мйшеНй с . плотностью частиц * 2x10'Второй имйульс дополнительно испаряет мишень, более эффективно нагревает и Ионизирует пары в атмосфере пониженной плотности. Полуденные пространственные распределения областей свеЧенйЯ ионов атмосферного азота N11 при одно- и двухимпудьсном воздействии на Поверхность алюминиевой мишени показывает снихенйе плотности атмосферных газов в области воздействия первого импульса.

В § 4.4 приведены результаты эксперимента по исследовании светимости ИСН1Ш лй1чШ мишени при многоиипульснем (три й более лазерных ШдпульсаЭ облучений поверхности из Al, -Показано, что увеличение числа лазерных иш'ульсой 8 цуге приводит лишь к аддитивному росТу светимости спектральных яииий и энерговклада лазерного излучений ё кшенЬ, Что обусловлено сменой плазмообразутей среда к приходу Третьего импульса и Последующим ее поддержанием. Так, воздушная плазма, преобладг тая в лазерном факеле ог первого импульса, почти полностьо вытесняется при воздействий последующих импульсов. При этем светимость линий ммшеМй вб втором, третьем и т.д.-факелах Приблизительно одинаковы. Лишь переход от оАно- к двухимпульсному облучение дает существенно нелинейный эффект

увеличения светимости и контраста.

В пятой главе изложены результаты экспериментального

исследования основных ыетроло- 2

гических характеристик прямого эмиссионного микроспектрального анализа в атмосфере при переходе от одно- к. двухим-

5

пульсному облучении мишени. 0

О

10 Рис.2.

С,У.

О

Приведенные в § 6.1 зависи-

мости светимости D ионных линий

пришей or ее концентрации С в мишени (рис.2 для линии Ball 614,1 ¡ш, а- одно-, й- двухимпупьсноэ воздействие) указывает :;а болас чей 10-кратноо увеличение чуветаительноста в области малых концентраций (риз.Зв). Такза в § 8.1 показано снижение относительного предела оанарухзнше примесей и образце при перехода к двухимлульскому облучеш» поверхности до 10"3+Ю""4У..

Результаты эксперимента, приведенные в § 5.2, показали возможность дистанционного обнаружения примесей с концентрацией ~ 0,1°/., по эмиссионным спектрам лазерной плазмы в спектральной диапазоне .350*750 нм.

D ваюпоченпк представлена основные выводы диссертационной работы:

1. Предложи и обоснован новый метод двухишульсного возбуждения лазерной плазглл с повышением светимости и контраста эмиссионных спектров ыишени. Экспериментально получена значительное повкшэние светикостк и контраста спектральных линий мишени с одновременным подавлением свечения атмосферных газов в

факеле, образованном вторым лазерным импульсом.

2. Экспериментально исследован физический механизм трансформации эмиссионных спектров факела, образованных вторым лазерным импульсом. Проведенный анализ пространственно-временных характеристик спектральных компонент плазменного факела и температурных профилей от первого и второго лазерных импульсов показал существенное различие функций импульсов и их вклада в формирование интегрального спектра.

3. Экспериментально исследованы возможности оптимизации режима облучения исследуемой поверхности и методики регистрации спектров при двухимпульсном облучении, позволявшие дополнительно увеличить контраст эмиссионного спектра и, соответственно, снизить относительный предел обнаружения примесей. При ото« первый »тулье используется в качестве формирователя среди, в которой второй импульс создает аналитический сигнал. Использование пространственной и временной селекции излучения факела позволяет более чем в 100 раз увеличить контраст спектральных линий элементов мишени. Полученоэ 10-кратное увеличение чувствительности Метода в схема дистанционного лазерного микроанализа даэт возможность получить относительный порог обнаружения на уровне 10* 3+10"4/£.

4. • Экспериментально показана воэмойюсть дистанционного (^20 м) обнаружения примесей в мишени по эмиссионным спектрам лазерной плазмы в спектральном диапазоне 400+700 ни. Оценки предельной дальности разработанной схекы дистанционного спектроанализатора элементного состава пойерхности показывают возможность возбуждения и регистрации спектров данным ко?л!лексом на расстояниях ~ 10 км.

5. Созданы i! исследованы различные варианты двухимпульсных лазеров, позволявшее реализовать предложенный режим как с перестраиваемой в диапазоне 0,02^.20 икс, так и с постоянной задержкой мэзду импульсами.

6. .Разработан и создан экспериментальный комплекс спектрометрической аппаратуры для исследования эмиссионных спектров лазерной плазш в спектральном диапазоне 350*750 им.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Поршин С., Бухаров А., Кривицкая Н., Шумаев 0,, Родо 0. Экспериментальное исследование распределения элементов РЬ и Те на поверхности образца РвТе, выращенного в условиях повышенной гравитации методом лазерного .спектрального анализа. Препринт ИКИ АН СССР, 1320, Пр-1664.

2. Арумов Г. П., Бухарой А, Р,, Поршин С.М., Каменская 0. Б. , Котянии С. Ю. н др. Влияние режима облучения поверхности на спектр свочешя лазерной плазш. Письма в &ТФ, 1987, т. 13, и. 14, с. S70-874.

3. Бухаров А. В., Паршин С. М. Изменение параиатров спектра лазерной плазш при переходе к двухимпульсному облучению диэлектрика в воздухе. ШС, 1S83, т. 51, в. 4, с.564-571.

4. Бухаров А. Ю., Першнн С.М. Pesjm двухимпульсного возбуждения лазерной приповерхностной .плазма в бесконтактном анализ о элементного состава конденсированных сред. Препринт ИКИ Ail СССР, 1920, Пр-1623.

5. Бухаров' A.D., Паршин С.М., Кривицкая H.H., Орлов P.D. Лазерный ылкроспохтральный анализ в беззлектродном варианте .на модифицированной установке ЛМА-1. ШС, 1991, т.54, с. 1011- 1015.

6. Арумов Т. П.Бухаров А.Ю., Нехаенко В. А., Першнн С.М. Двухшшульсшй лазер с управляемой в диапазоне 20-100 не задержкой. Квантовая электроника, 19SS, т. 15, Л°9, с. 1744-1750.

7. С. И.Першян, А.Ю. Бухаров. О повышении контраста спектров лазерной плазш при даухвшуяьскоы облучения поверхности излучением нэодшэвого лазера. Квантовая электроника, 1S92, т. 19,

с. 200-203.