激光等离子体物理解答.doc

- . z. 激光等离子体物理与检测技术 复 习 思 考 题 1.金属、非金属和半导体材料各自对激光吸收有何特点？ 答：金属中存在大量的自由电子，该自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波，这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波。其中的透射波局部又在很薄的金属表层被吸收，因而激光在金属外表有较高的反射比。特别对光子能量较低的红外光而言，光频电磁波只能对金属中的自由电子作用。对光子能量较高的可见光或紫外光而言，由于金属中的束缚电子的固有频率常处于可见光或紫外光频段，因而还能对金属中的束缚电子作用。束缚电子的作用将使金属的反射能力降低、透射能力加强，并增强了金属对激光的吸收，使之呈现出*种非金属的光学性质。由于金属中自由电子的密度较大，因而透射光波在金属外表的附近很薄的表层内被吸收。金属对激光的吸收与波长、材料特性、温度、外表情况和激光的偏振特性等诸多因素均有关。在近红外区金属的反射比拟大；金属材料在室温时的吸收比很小，当温度升高到接近熔点时，吸收比到达40%-50%，当温度接近沸点时，吸收比高达90%。金属外表状况对可见光的吸收比影响很小，但是，金属外表的粗糙度对吸收比有显著的影响，粗糙外表与抛光镜面相比，吸收比可提高一倍。外表涂层的作用就是加强金属外表对激光的吸收。 非金属与金属不同，它对激光的反射比拟低，吸收比拟高，而且非金属的构造特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。 许多半导体材料对可见光不透明，但对和红外光相对透明，大局部带Si-O结合键的材料对可见光相对透明，而对10波段的光则强烈吸收。绝缘体和大局部半导体与金属相比对光的吸收系数较小，对应的穿透深度较大。 2.试述Knudsen层的定义。 答：从靶外表跑出来的蒸汽粒子具有外表温度下的麦克斯韦速率分布，而且这些气化粒子的速度方向均是离开靶外表方向。这种各向异性的速率分布时通过蒸汽粒子相互碰撞形成的，通常认为这种碰撞是在靶外表前方几个平均自由程内进展，这一区域称为Knudsen层。 3.试述铝蒸汽电离的几种过程。 答：〔1〕电子碰撞并激发中性Al原子 〔2〕基态Al原子直接吸收激光能量电离成Al+，即 〔3〕激发态Al原子与电子相互作用产生电离 〔4〕激发态Al+的辐射湮灭 〔5〕共振光子的再吸收引起光致再结合和光致电离 〔6〕电子的碰撞驰豫过程 〔7〕通过原子和例子的相互碰撞引起的激发、电离和再结合等 4.Saha方程组研究的对象是什么？给出其适用范围？ 答：Saha方程主要研究离子和电子的浓度对气体温度和密度的影响程度。Saha方程只适用于热力学平衡的电离气体。 5.试给出描述激光等离子体开展的物理模型，并讨论该模型的缺陷。 答：激光等离子体开展的物理模型： 1〕蒸气等离子体向真空膨胀视为一维膨胀 2〕忽略散射和热传导，考虑靶外表蒸气的热辐射 3〕考虑靶外表的反射效应 4〕认为蒸气等离子体处于局部热力学平衡 6.等离子体点燃时间与作用激光波形相关吗？为什么？ 答：等离子体产生过程就是靶外表吸收激光能量，使靶外表温度升高，当靶外表温度超过靶材气化温度时，靶外表发生气化现象，在这之后，靶外表和喷射物质继续吸收激光能量，导致喷射物质进一步电离，最后形成等离子体。袁钢等人归纳了国外的大量实验数据，提出了激光等离子体点燃的经历判据是： 由此判据可见，等离子体点燃过程只与激光本身因素〔光强、波长、脉冲宽度〕有关。由 ，可以计算等离子体点燃时间的大小。能够看出他的大小与靶材的特征参数有关，同时还与激光脉冲的波形构造由密切关系。 7.试述激光等离子体对入射激光屏蔽机理，并给出如何减小屏蔽的措施。 答：激光作用于靶外表，引发蒸气，蒸气继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶外表上产生高温高密度的等离子体。这种等离子体迅速向外膨胀，在膨胀过程中等离子体继续吸收入射激光，无形之中等离子体阻止了激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合，这种效应叫做等离子体屏蔽效应。等离子体吸收大局部入射激光，不仅减弱了激光对靶面的热耦合，同时也减弱了激光对靶的冲量耦合。 8.在利用光学干预方法测试与激光等离子体有关参数时，对干预条纹偏移影响最大的物理量是什么？为什么？ 答：干预条纹飘移量可表示为： 对其影响最大的时参考光的波长 9.试讨论光学阴影法、光学干预法和光束偏转法在测试激光与物质相互作用物理参量测试的优缺点。 答：阴影法可利用光波通过等离子体后波形的变化来研究等离子体的性质其理论根据时等离子体将对入射光波的相位产生影响，可以测量出等离子体的形状尺寸以及膨胀速度等，具有直观明了的优点，但是它不能告诉我们有关等离子体其它物理量的定量结果 干预法时定量测量等离子体参数的主要方法，其测量方法简单，主要是通过测量等离子体折射率变化和等离子体吸收情况而