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科研动态

基于食盐激光感生电压的超快紫外激光脉冲检测

日期：2024-09-18 | 访问量：

中文题目：基于食盐激光感生电压的超快紫外激光脉冲检测

论文题目：Laser-induced voltage of table salt for deep ultraviolet pulsed laser detection

录用期刊/会议：iScience (中科院大类2区，JCR Q1)

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109424

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258900422400645X

录用/见刊时间：2024年4月19日

作者列表：

1） 刘学聪 中国石油大学（北京）人工智能学院 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

摘要:

为满足超快深紫外（UV）脉冲激光探测器响应快、过程简单的要求，本工作采用食盐作为激光检测材料，结合可变电阻实现单脉冲激光检测和等离子体动力学过程检测，建立了激光感生电压（LIV）的等效电路模型。在KrF准分子激光器照射下，样品的LIV响应受激光诱导等离子体的动力学过程影响，响应趋势符合等离子羽流的空间演化特征函数。LIV的振幅（Vp）与系统施加的偏置电压（Vb）和入射激光能量（Ein）呈正相关关系，与响应时间呈负相关。当可变电阻（R）减小到14.7 Ω时，LIV的响应时间缩减到与激光脉冲的脉宽相同的时间（∼20 ns），最终实现了紫外单脉冲能量的实时监测。

背景与动机:

靶材表面在高能激光的照射下会产生快速膨胀的热和部分电离的蒸气羽流，常被应用于精密微加工、诊断技术、医学、材料加工、纳米级合成等领域，因此受到了人们越来越多的关注。其中高能脉冲激光辐照下产生的等离子羽流信息不仅可以作为靶材定量和定性分析的重要参数，还可以作为信号源，被外部电路检测收集。近些年来，随着激光加工工艺和半导体产业的迅速崛起，实时测量紫外脉冲激光器的特性信息至关重要，特别是对于单脉冲激光能量的实时检测。然而，高能紫外脉冲激光器由于其热效应低、脉冲宽度窄，对传统的激光能量检测系统提出了挑战。而高能激光辐照下产生的等离子体羽流受单脉冲激光能量的影响，因此激光诱导等离子检测有望成为深紫外单脉冲监测的利器。

设计与实现:

如图1所示，本文以波长为248 nm，脉宽为20 ns的紫外脉冲激光为激发光源，辐照在样品上的脉冲能量为13 到 25 mJ 之间可调。样品被放置在一个方形的石英比色皿中。四根铜电极分别连接 Keithley 2400数字源表、负载和示波器，用于提供外场和检测LIV响应信号。

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图1 实验测试装置示意图

实验结果及分析:

图2为系统检测到的单脉冲激光辐照下的LIV响应信号，基于Maxwell–Boltzmann理论建立的离子膨胀函数模型，数据可以由三个指数函数拟合，因此，LIV响应信号特征受等离子的空间动力学过程影响。

LIV响应的拟合参数：

LIV (t)/Ein = – A1e-t/τ1 – A2e-t/τ2 + A3e-t/τ3

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图2 食盐LIV响应的时间演化函数


如图3所示，LIV响应的三个指数函数分别对应等离子体羽流的电离产生、膨胀和复合过程。

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图3 等离子体的（A）产生过程、（B）膨胀过程、（C）复合过程


图4和图5为激光能量（Ein）和偏置电压（Vb）对LIV响应参数的影响。LIV的响应随Ein和Vb增加而增加，LIV信号的半高宽（FWHM）和上升时间（tr）随Ein和Vb的变化呈负相关关系。当Ein=22.3 mJ时，LIV的响应度R*最大为8.07 V/J。

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图4 不同激光辐照能量下的（A）LIV响应曲线和（B）信号参数和Ein之间的函数关系

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图5 LIV信号参数和Vb之间的函数关系


图6和图7为并联负载电阻R后的LIV响应信号和参数特征，LIV受阻抗效应的影响，R*，FWHM和tr均正比于R。当固定电阻为14.7Ω时，受电路中RC常数的影响，食盐的LIV响应时间与辐照激光的脉宽一致（⁓22 ns），并且ln(Vp)∝Ein。

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图6 （A）LIV信号随负载的变化；（B）R*、FWHM和tr与R的函数关系

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图7 LIV信号参数和Vb之间的函数关系

如图8所示，整个LIV测试电路可以等效为电容和电阻并联的RC电路，电路在整个检测过程中检测到的阻抗变化由结构阻抗和样品产生的等离子体阻抗，因为LIV受电路阻抗的影响，所以Vp会随着R的变化而单调增加。

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图8 （A）测试的等效电路；（B）等离子体鞘层示意图

结论:

利用实验的LIV响应特征，结合阻抗效应实现单脉冲紫外激光器的快速检测。整个LIV 响应受等离子体动力学过程的影响，信号的Vp、FWHM和rt与Vb、Ein和R相关。当 R=14.7 Ω时，整个测试电路的阻抗与示波器匹配，LIV响应时间等于激光脉冲宽度 （≈20 ns），响应度R*为∼0.17 V/J，ln（Vp）线性依赖于Ein(斜率：∼0.17 ln(mV)/mJ)。这里展示了一种检测和分析激光-物质相互作用的方法，同时还可以实现单脉冲激光脉冲能量的实时监测。

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Chem. Eng. J、IEEE Sens. J、IEEE Trans. Instrum. Meas等期刊发表论文19篇，其中第一作者SCI论文9篇。获第十三届王涛英才奖学金、2024年中国仪器仪表学会二等奖学金、2023年中国仪器仪表学会学术年会优秀学术成果等奖项。

通讯作者简介:

赵昆，教授，博士生导师，研究方向为油气光学探测技术与智能制造。