空气的超快紫外激光感生电压效应

中文题目：空气的超快紫外激光感生电压效应

论文题目：Ultrafast ultraviolet laser-induced voltage of air

录用期刊/会议：Optics and Laser Technology (JCR Q1)

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109678

录用/见刊时间：2023-06-06

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） 孟昭晖 中国石油大学（北京）新能源与材料学院 材料科学与工程专业 博19

5） 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:

本文研究了KrF准分子激光照射下，空气中激光感生电压（Laser-induce voltage，简称LIV）的时间演化。LIV响应可以通过三个指数函数之和来拟合，其中拟合参数受到偏置电压和单脉冲激光能量的影响。偏置电压可显著增强LIV响应，LIV强度与激光能量之间存在指数关系。由于阻抗效应，减小可调电阻后，LIV曲线几乎呈三角形对称形状，响应时间完全受单激光脉冲持续时间的限制。作为一种潜在的应用，空气的LIV提供了一种可行的单脉冲激光检测方法。

背景与动机:

当高能量短激光脉冲聚焦到介质上时可以产生等离子体，即激光诱导等离子体（Laser-induced plasma，简称LIP）。LIP可以认为是一种快速膨胀的热蒸气羽流，具有明显的非线性效应，如光子吸收、热扩散、多光子和雪崩电离等。激光感应电压（LIV）可通过测量激光照射下介质的电信号进行材料表征。当两个电极之间产生等离子体时，在外电场作用下，等离子体传输距离增加，正负电荷分离并向电极移动，导致产生LIV。因此，本文通过LIV测量了空气中LIP的动力学过程。

实验结果及分析:

如图1所示，空气LIV响应曲线包括瞬态上升、缓慢上升、缓慢下降三个过程。第一个过程由早期激光辐照产生的等离子体组成，并且这种等离子体快速膨胀归因于瞬态热效应，因此第一个过程的响应时间不随偏置电压变化，完全受到激光脉冲持续时间（～20 ns）的限制。为减小负载电阻之后的LIV时间响应曲线，几乎呈对称的三角形。响应率随单脉冲激光能量变化的斜率分别为28.7 V/J2（高于17 mJ）和6.6 V/J2（低于17 mJ） 。受激光脉冲持续时间的限制，LIV曲线的上升时间约为13 ns，半高宽约为22-25 ns。

图1（a）典型LIV响应的时间演化关系。（b）减小负载电阻时的LIV响应曲线，插图为LIV响应峰值和响应率对激光脉冲能量的依赖关系。（c）LIV曲线的上升时间和半高宽对激光脉冲能量的依赖关系。

结论:

本文研究了空气LIV响应的时间演变和阻抗效应。LIV信号表明LIP的整个动态过程由三部分组成，可以用三个指数函数拟合。通过调节负载电阻，LIV的响应时间减少到21.3 ns，约等于激光脉冲宽度，波形几乎是三角形且对称的。本项研究可以使我们更好地理解激光与空气相互作用的机制，为单脉冲激光检测技术的发展提供了借鉴。

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。