热力学非平衡态下激光诱导等离子体发射光谱诊断及局域热力学平衡判据

Laser-induced plasma (LIP) are finding diverse use in various areas, and the temporally and spatially resolved evolution of LIP attracts ever-growing academic attentions. Electron densities (Ne) and temperatures (Te) are often used to describe LIP dynamics and measured by manifold methods in past studies. Optical emission spectroscopy (OES) based on Stark broadened spectral line shapes is a convenient and reliable diagnosis technique. Most previous analyses of OES assume local thermodynamics equilibrium (LTE) to obtain Ne and Te. The validity, however, is likely to be challenged under many circumstances. In this work, we present an analysis of best-fitting spectral lines using a model based on universal electron energy distribution functions (EEDF) without assuming LTE for determining Ne, Te and EEDF in LIP, providing a diagnosis technique for non-LTE LIP. A new and improved LTE criterion is also proposed in this research depending on the bias between the actual EEDF and Maxwell–Boltzmann distribution. Temporally and spatially resolved optical emission from plasma produced by multiple wavelength laser will be recorded in different ambient gas and pressure. The diagnosis will illustrate the physical mechanism of thermodynamics transition from non-LTE to LTE in LIP, and provide strong theoretical and technical support for improvements in relevant fields (e.g. laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS).

激光诱导等离子体（LIP）在众多领域中有着广泛的应用，其随时空演化过程一直是研究的焦点。电子密度和温度是描述LIP动力学过程的重要参数，此前研究提出了诸多测量手段，基于斯塔克展宽的发射光谱技术是其中方便有效的诊断方法。之前大部分研究在分析光谱数据时均假设LIP处于局域热力学平衡态（LTE），依此得到电子密度和温度。然而很多时候LTE并不成立。本项目将从普适的电子能量分布函数出发，不依赖LTE假设，通过最佳拟合法反演得到电子密度、温度和能量分布函数，突破热力学非平衡态LIP的诊断技术。此外，基于电子能量分布偏离麦克斯韦–玻尔兹曼分布的程度，我们可以判断LIP是否处于LTE。本研究拟改变激光波长，并设置不同的背景气体成分及气压，得到LIP的发射光谱随时空演化过程，利用该技术研究等离子体热力学状态由non-LTE向LTE演化的物理机制，为激光诱导击穿光谱等技术的优化提供有力的理论和技术支撑。

激光诱导等离子体（LIP）被广泛应用于诸多行业领域，其随时间-空间演化特性对实际应用的可靠性、准确性等有着重要的影响，因此一直是研究的焦点和难点。LIP的热力学状态直接决定了等离子体诊断数据分析方法的正确与否。本项目围绕等离子体热力学状态演化机理，搭建了时间-空间-波长分辨的发射光谱诊断实验平台，深入开展了LIP热力学状态理论研究、基于发射光谱诊断的热力学状态演化规律实验研究、光谱数据处理算法及专用软件开发、基于局域热力学平衡（LTE）演化机理的脉冲激光烧蚀应用示范等四个方面的研究工作。取得了如下主要结果：（1）基于普适的电子能量分布函数，提出了不依赖LTE假设的、适用于非平衡态等离子体的发射光谱诊断技术，展示了LIP随时空演化动力学过程，分析了其内在机理,提出了新的LTE判据，相比于此前研究中常用的判据，本研究的判定准则具有更高的准确性，并通过不同实验条件和光谱交叉验证的方法多次证明了该判据的可靠性；(2)实施了不同参数下激光诱导等离子体发射光谱诊断实验，基于项目提出的热力学平衡判据，首次展示了等离子体热力学状态随时间-空间变化过程，揭示了激光诱导等离子体从non-LTE向LTE演化的规律；（3）突破传统光谱数据分析中人为主观因素影响瓶颈，自主开发了发射光谱数据处理及热力学特性分析算法，并封装成为国内首款空间分辨光谱的热力学特性分析软件，提升了光谱分析效率和智能化程度；（4）以基于LTE演化规律指导的激光诱导周期性表面微结构（LIPSS）形貌优化实验作为应用示范，证明了本项目的研究结果可以较好地牵引脉冲激光烧蚀等应用的发展，为LIPSS调控技术提供了坚实的理论支撑。本项目的实施提升了对LIP热力学状态演化机理的理解和认识，也对LIP技术在国家重大战略需求场景的相关应用中的实际使用起到了促进作用。