二、激光誘導(dǎo)熒光（LIF or TALIF）

LIF在等離子體上的應(yīng)用診斷開始于1975年左右，首先是由R.Stern和J.Johnson提出的利用LIF裝置可以測量中性基團和離子的相對速度、速度分布函數(shù)等。90年代后，LIF被陸續(xù)應(yīng)用到了ECR、ICR、磁控管、螺旋波HELIX、ICP以及微波驅(qū)動CVD等等離子體源中。

2.1、 等離子體 LIF診斷的基本模型

處于基態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的粒子吸收具有一定能量的光子后被激發(fā)，再從激發(fā)態(tài)衰變?yōu)樽孕嘀囟认嗤幕鶓B(tài)或低能態(tài)時，就會發(fā)出熒光輻射。而熒光光強與粒子數(shù)成正比，因此，通過測量熒光光強，可以確定處于基態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的粒子密度。由于這種熒光發(fā)射的時間長度低于微妙量級，必須采用脈沖寬度在納秒量級的激光來激發(fā)熒光，這種診斷方法因此被稱作激光誘導(dǎo)熒光（LIF）。

圖１[1]為LIF的基本原理圖，在一個三能級系統(tǒng)中：離子處于亞穩(wěn)態(tài)時，當(dāng)照射激光能量等于躍遷激發(fā)的能量，離子被泵浦到激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，離子又會迅速退激到基態(tài)并輻射出熒光。在激發(fā)態(tài)上停留時間很短暫（一般只有幾納秒寬度）。由于離子不是靜止的，根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，在激光傳輸方向上存在一個速度選擇，只有在激光傳輸方向上滿足一定速度的離子才能被特定頻率的激光誘導(dǎo)激發(fā)：窄帶激光束（ωlaser，κlaser）入射，在入射方向上，只有離子速度  和激光頻率滿足關(guān)系式 時，才能通過相應(yīng)的激光激發(fā)被泵浦到激發(fā)態(tài)。對入射激光頻率進(jìn)行掃描變換，測量相應(yīng)的熒光光強變化，就能得到亞穩(wěn)態(tài)離子速度分布函數(shù)在入射激光方向上的投影。如果假定亞穩(wěn)態(tài)離子溫度和主體基態(tài)離子溫度一致，離子速度分布函數(shù)等動力學(xué)參數(shù)即可獲得。

2.2、 典型LIF實驗架構(gòu)與世界上的LIF架構(gòu)參考

如圖2所示，為典型的等離子體裝置LIF診斷實驗架構(gòu)圖。

圖2 典型的等離子體LIF診斷架構(gòu)圖

因為基團和粒子的激發(fā)波長不同，因此我們選擇了波長可調(diào)諧的納秒脈寬染料激光器，通過添加不同的染料，輸出不同的波長對被測試的粒子和基團進(jìn)行激發(fā)，從而得到激光誘導(dǎo)的熒光衰減與光譜信號，這些信號經(jīng)由相關(guān)的搜集光路被捕獲到光譜儀與ICCD探測器組成的光譜探測系統(tǒng)中，從而得到光譜、強度與時間尺度的三維熒光光譜，讓研究人員進(jìn)行相關(guān)的分析。圖中所用的DG535/645作為整個實驗系統(tǒng)的時序控制裝置。

圖3到圖4為世界上比較典型的不同等離子體裝置的LIF診斷情況。

圖3. University of Greifswald  LIF診斷系統(tǒng)（H原子）

圖4. IHP LIF診斷系統(tǒng)

1. 對Ar等離子體和He等離子體放電，常用的激光器波長可調(diào)諧范圍不需要太寬

2. 要測H（氫）等離子體，激光波長需要205nm

3. 測CF等離子體 需要261nm

4. 同時測 Ar等離子體的LIF，因為觀測另一條譜線，所用的激光波長又是611nm的

所以LIF的波長范圍應(yīng)該根據(jù)要觀測的等離子體放電的氣體種類及觀測那條譜線來決定

2.4、硬件配置推薦

 根據(jù)用戶需求，一般推薦的配置如下：

2、 光譜儀：

• ? Zolix 北京卓立漢光儀器有限公司的Omni-500I 或750I光譜儀搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光柵

• ? 207或者205高光通量光譜儀，搭配110*110mm 的大尺寸1200l/mm光柵和1800l/mm光柵

 ICCD, 18mm 增強器，13*13mm 探測面；

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參考文獻(xiàn)

[1] 趙巖, 柏洋, 金成剛, 等．激光誘導(dǎo)熒光在低溫等離子體診斷中的應(yīng)用[J]. 激光與紅外, 2012, 4(42): 365-371.