中文题目：盐的激光感生电压信号在纳秒脉冲激光检测中的应用

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

录用期刊/会议：2023 China Automation Congress (EI)

原文DOI：10.1109/CAC59555.2023.10450599

录用/见刊时间：2024-04-19

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） 王丽君 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 硕21

4） 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

5） 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

6） 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:

本文提出了一种检测纳秒(ns)脉冲激光能量的方法。偏置电压（V_b）和激光能量（E_in）对食盐的激光感生电压（LIV）信号幅值（V_p）影响较大，V_p随V_b和E_in的增大而增大，信号响应时间约为150µs。受阻抗效应的影响，LIV信号的响应速度和峰值V_p随着负载（R）的减小而增大。当R=100 Ω时，LIV的响应时间与纳秒脉冲激光相似（⁓20 ns）,完全受激光脉冲持续时间的限制。该研究表明，食盐的LIV响应具有实时超快单脉冲激光检测的潜力。

背景与动机:

随着纳秒脉冲激光器应用的普及，单脉冲激光能量的实时、精确测量成为了有待解决的技术难题。当具有高能量通量的纳秒脉冲激光照射到样品上时，样品表面会形成等离子体羽流，它们是微加工、元素分析、钻孔等工程应用中的主要研究对象。然而，这些等离子体受多种因素的影响（例如靶材特性、单脉冲能量、波长、辐照频率等等）。因此，如何测量快速单脉冲激光信号能量，提取、捕获相关信息就更为关键和具有挑战性。其中，激光诱导等离子体（LIP）在携带样品信息的同时还可以作为信号源，被外接电路捕获，生成激光感生电压（LIV）信号。而食盐因为具有价格低、获取方便、在可见光谱透明等特点，我们选用食盐为脉冲激光的检测材料，进行单脉冲能量的检测和分析。

实验结果及分析:

图1为激光辐照在样品上产生的LIV响应信号，随着偏置电压V_b和入射激光能量E_in的增加，信号的峰值（V_p）也会随着电极接收到等离子数目的增加而增大。

图1 （a）LIV响应信号；（b）V_p随V_b和E_in的函数关系

图2显示了LIV随外接负载R的变化情况，受检测电路阻抗的影响，信号的半高宽（FWHM）和峰值V_p均与R呈正相关。

图2（a）LIV信号随负载的变化；（b）半高宽和峰与负载R之间的关系

当R=100Ω时，如图3所示，受脉冲脉宽时长的限制，响应信号的半高宽一直维持在20 ns左右，V_p随V_b的增加而增加。

图3 负载为100Ω时，FWHM和V_p随V_b的变化函数

图4显示了LIV的信号随Ein的变化呈单调的正相关关系，单位偏压下的探测响应度为1.93 × 106 m^1/2·J^-3/2，且监测到的LIV波形与脉冲激光的波形结构类似。

图4 负载为100Ω时，LIV信号和V_p与E_in的变化

结论:

本研究基于食盐的LIV响应特征设计了测量超快单脉冲紫外激光器的实验系统。通过调节负载R的阻值，实现脉冲激光波形和能量的实时检测。LIV 响应峰值V_p受V_b，E_in和R的影响。随着R的降低，LIV的响应速度增加。在R=100 Ω，食盐检测到的LIV信号响应时间~20 ns，这近似于光源的脉冲宽度。该项工作为简单、低成本的ns脉冲激光实时表征提供了新的见解。

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Chemical Engineeeing Journal、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。