飞秒激光等离子体中原子能级结构演化及自吸收特性研究

The high temperature and density plasma will be induced when a femtosecond laser pulse ablating a target. The atoms in the plasma will be influenced by the environment, and the atomic level structures will change with the instantaneous characterization of the laser plasma. The self absorption, which can affect the spectral analysis considerably, is one of important phenomena of the femtosecond laser plasma. Therefore it is of significance to investigate the evolution of the atomic levels, as well as the characterization of self-absorption. Experimentally, the plasma will be induced by single femtosecond laser pulse and double femtosecond laser pulses respectively. The temporal-and spacial-resolution spectra and self-absorption spectra from the plasma will be detected. The level information of higher excited states will be acquired by exciting the laser plasma again with the second laser pulse combining the ultrafast probe technique. Theoretically, we will simulate the emission spectra and self-absorption spectra using the improved model of one-dimensional radiative transfer and the spin-orbital split array, which is based on the model of unresolved transition array. Through deep research and analysis of the atomic and ionic collision, excitation and radiation in femtosecond laser plasma, the law of the atomic levels evolution and the mechanism of self-absortion will be disclosed further.

飞秒激光烧蚀固体材料将产生高温高密度的等离子体，处于其中的原子受到周围环境的影响，其能级结构会随着等离子体的瞬时变化而变化，自吸收是飞秒激光等离子体的一个重要现象，它对等离子体光谱分析产生很大的影响，因此对飞秒激光等离子体中的原子能级结构演化过程以及自吸收特性进行研究，对于进一步探索激光等离子体中的原子物理过程具有重要意义。本课题实验上将采用飞秒激光脉冲诱导产生等离子体，利用时空分辨光谱探测系统获取等离子体辐射和自吸收信息，利用双光束激光技术二次激发等离子体，结合快速探测以获得更高激发态原子的能级信息。理论上将改进一维辐射理论模型和在不可分辨跃迁系模型（UTA）上发展起来的自旋-轨道劈裂跃迁系模型（SOSA），来模拟等离子体的发射谱和自吸收谱。通过研究，深入分析飞秒激光等离子体中原子及离子的碰撞、激发和辐射机制，揭示飞秒激光等离子体中原子能级结构的演化规律及其自吸收形成的内在机理。

处于飞秒激光等离子体中的原子受到周围微电场的影响，其能级结构会发生改变。与纳秒激光相比，飞秒激光等离子体中的原子几乎不受脉冲后沿影响。因此，对飞秒激光等离子体中的原子能级结构演化过程进行研究，对于进一步探索激光等离子体中的原子物理过程具有重要学术价值。实验上，在不同的背景气压下，对飞秒激光诱导的Ti、Zn、Cu、Pb、HgCdTe等离子体的光谱进行了时空分辨测量。推知了等离子体的空间分布，并对等离子体的状态进行了诊断；得出了谱线频移与电子密度的关系；分析了光谱自吸收与其跃迁能级的关系、其线型与频移之间的关系；研究了光的偏振以及双脉冲激发对等离子体谱线的影响。理论上, 利用MSE (Modified Semi-empirical)方法对两条Ti 二价离子谱线的展宽进行了计算，取得了与实验一致的结果；利用多组态Dirac-Hartree-Fock方法计算了Zn原子的能级结构，进而分析了激光等离子体中这些能级随时间的演化，很好的解释了Zn原子谱线的红移和蓝移的机理；另外，我们提出了一个全面模拟超快激光烧蚀材料的三维双温模型（3D-TTM），从理论和实验上研究了飞秒激光烧蚀钛靶的热力学过程；利用光学干涉理论和表面等离子体激元理论很好地解释了飞秒激光诱导钛表面出现的三种微纳周期性结构。