点击数: 更新日期: 2023-11-20
中文题目：利用糖的可调谐激光感生电压检测超快紫外激光脉冲
论文题目：Tunable laser-induced voltage of sugar for ultrafast ultraviolet laser pulse detection
录用期刊/会议：IEEE Sensors Journal (JCR Q1)
原文DOI：https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3270903
录用/见刊时间：2023-05-02
封面图片：
作者列表：
1） 刘学聪 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制科学与工程专业 博22
2） 赵 昆 中国石油大学（北京）新能源与材料学院材料科学与工程系 教师
3） 苗昕扬 中国石油大学（北京）新能源与材料学院材料科学与工程系 教师
4） 詹洪磊 中国石油大学（北京）新能源与材料学院材料科学与工程系 教师
摘要:
本文提出了一种低成本、快速检测深紫外激光脉冲的方法，并通过食用糖进行了实验验证。通过调节外加偏压、激光能量和分流电阻，系统研究了食用糖在KrF脉冲激光辐照下的激光感生电压（laser-induced voltage，简称LIV）。较高的激光能量增强了LIV的峰值，上升时间和半峰全宽与激光能量呈负相关。由于棉白糖（FS）的粒径比白砂糖（GS）小，具有更高的LIV。LIV响应轨迹由快上升、慢上升和衰减三个分量组成，可用三个指数函数拟合。降低分流电阻显著缩短了LIV响应时间（上升时间 ~12.2 ns，下降时间～23.5 ns），响应时间与激光脉冲持续时间一致，表明检测到了激光脉冲的波形。在较低的激光能量（<20mJ）下，棉白糖的比探测率D*估计为2.67×107m1/2·J−��������3/2，分别比白砂糖和红糖（BS）高38%和84%。该项研究以食糖为检测材料，提供了一种简单、低成本、快速检测深紫外激光脉冲的方法。
背景与动机:
纳秒脉冲激光由于高能量和高密度，已广泛应用于热损伤和改善加工表面质量。激光照射样品产生高密度、高温等离子体，其中含有正负离子以及电子激发态的原子和分子。等离子体的形成和膨胀过程很大程度上取决于入射激光的能量。激光能量测量非常重要，基于激光与材料相互作用快速信号采集的单脉冲激光检测更具挑战性。为了满足深紫外激光探测器对超快响应、高灵敏度和简单工艺的需求，本文基于食用糖实现了单脉冲深紫外激光的波形和能量检测。
实验结果及分析:
如图1所示，当 248 nm 激光照射到食用糖时，表面会产生快速膨胀、部分电离的热蒸气羽流，在光斑的中心区域出现最大等离子体密度和温度。由于温度和浓度梯度，等离子体扩散到激光照射区域之外。外部横向电场力可以通过减弱屏蔽效应、提高LIV信号响应度来增加蒸气等离子体羽流的空间运动速度和距离。当电极非常靠近样品时，电极在等离子体的产生和膨胀过程中接触等离子体。此时，由于等离子体与施加的电场之间的相互作用，可在外部电路中检测到电信号。
图1 食用糖的LIV原理
图2显示了LIV峰值、上升时间、半高全宽与激光能量的依赖关系。当糖被辐照时首先产生足够的等离子体。然后剩余的激光脉冲能量通过等离子体转移到样品表面。对于更高的激光能量，由于糖吸收的能量增加，相互作用区域中的带电粒子密度增加。因此，更多的激光能量被转移到表面，增强了LIV 响应（图2a）。同时，随着激光能量的增加，等离子体的尺寸变大，膨胀速度加快，电极会在较早的时间接收到等离子体，随着激光能量的增加，LIV信号达到峰值的速度更快（图2b、c）。
图2（a）LIV峰值、（b）半高宽、（c）上升时间与激光能量的依赖关系。
图3为并联14.7 W分流电阻时的LIV响应曲线，由于响应时间由电路RC常数决定，因此三种糖的半高宽和上升时间几乎相等，与辐照激光的脉宽一致。如图4所示，LIV峰值与激光能量符合指数递增关系，在较低激光能量（<20mJ）下，棉白糖、白砂糖和红糖的比探测率估计为2.67×107m1/2·J−��������3/2、1.94×107m1/2·J−��������3/2和1.45×107m1/2·J−��������3/2。
图3 不同激光辐照能量下，并联14.7 W分流电阻时三种糖的LIV响应曲线。
图4 并联14.7 W分流电阻时三种糖的LIV响应峰值与激光辐照能量的关系
结论:
本文利用食用糖的LIV响应实现了对深紫外激光脉冲波形和能量的实时检测。不同类型糖的LIV响应过程、峰值强度和响应时间受到激光能量的影响。当平行于样品的阻抗与测试回路匹配时，响应时间等于激光脉冲宽度（≈20 ns），LIV轨迹几乎是三角形的。对于14.7 Ω的固定阻抗，棉白糖的响应率高于白砂糖和红糖。这项工作证明了糖作为一种简单、低成本、快速响应的实时激光脉冲检测材料的前景。
作者简介:
刘学聪，博士研究生，研究方向为油气光学探测技术。在IEEE Sens J、IEEE Trans Instrum Meas、Opt Laser Technol等期刊发表论文15篇，其中第一作者SCI论文6篇。获第十三届王涛英才奖学金、2023年中国仪器仪表学会学术年会优秀学术成果、国际光电科学与前沿技术研究生创新论坛特等奖。
通讯作者简介:
赵昆，教授，控制科学与工程学科博士生导师，研究方向为油气光学探测技术与智能制造。