低氣壓低溫等離子體的光譜診斷

1、設(shè)計(jì)：李波低氣壓低溫等離子體的光譜診斷設(shè)計(jì)：李波2. 2. 吸收光譜吸收光譜2.1 2.1 吸收光譜原理：吸收光譜原理： 當(dāng)一束光穿過(guò)厚度為dl的均勻等離子體后，光強(qiáng)度的變化dIv由在dl厚度內(nèi)的光吸收和發(fā)射之間的凈平衡給出 式中，(v)為單位長(zhǎng)度的發(fā)射系數(shù)；k(v)為單位長(zhǎng)度的吸收系數(shù)。 吸收系數(shù)k(v)描述的是無(wú)限薄的等離子區(qū)域中的光吸收，由下式給出： 求和是針對(duì)所有吸收基團(tuán)的吸收態(tài)；Ni為基團(tuán)的布局?jǐn)?shù)；i（v）為基團(tuán)在頻率v時(shí)的吸收截面。dlIvkvdIvv)()(iiivNvk)()(設(shè)計(jì)：李波2. 2. 吸收光譜吸收光譜2.1 2.1 吸收光譜原理：吸收光譜原理： 將譜線分布Pv進(jìn)行

2、歸一 假定上能及沒(méi)有粒子布局，從下式可以得到絕對(duì)k(v) 因此譜線的吸收系數(shù)為 Ni(,)為第i能級(jí)上粒子布居數(shù)，Bik為i能級(jí)與k能級(jí)之間躍遷的愛(ài)因斯坦系數(shù) 1linevvdPikilineBNchvdvvk0)(vikiPBNchvvk,.),()(0設(shè)計(jì)：李波2. 2. 吸收光譜吸收光譜2.1 2.1 吸收光譜原理：吸收光譜原理： 當(dāng)外光源的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于等離子體自身發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，輻射的吸收可以用比爾-朗伯定律給出 式中Iv(0)，Iv(l)為入射等離子體和出射等離子體的光強(qiáng)度。 如果已知不同基團(tuán)的吸收截面積，根據(jù)出射光的強(qiáng)度就可以計(jì)算該基團(tuán)的絕對(duì)濃度。 )(exp()0()(lvkIlIvv

3、vikiPBNchvvk,.),()(0設(shè)計(jì)：李波2. 2. 吸收光譜吸收光譜2.2 2.2 吸收光譜實(shí)驗(yàn)裝置：吸收光譜實(shí)驗(yàn)裝置：在發(fā)射光譜的實(shí)驗(yàn)裝置上增添一個(gè)外光源在發(fā)射光譜的實(shí)驗(yàn)裝置上增添一個(gè)外光源 光源的選擇：光源的選擇： 1）連續(xù)燈譜：如Vis-Nir范圍的氙燈，160350nm UV范圍的氘燈，可見(jiàn)光范圍的鎢燈等。 2）可協(xié)調(diào)的窄帶光源：可協(xié)調(diào)染料激光器，二極管紅外激光器等。從測(cè)定的吸收譜獲得Si原子濃度的方法為：g1和g2為低等級(jí)和高能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；為壽命； vp和v1為Si原子在等離子體中吸收線的半高寬和由光源發(fā)出的發(fā)射線的線寬。0221221/12ln8IIvvvggnppco

4、l設(shè)計(jì)：李波2. 2. 發(fā)射光譜發(fā)射光譜2.2 2.2 吸收光譜實(shí)驗(yàn)裝置：吸收光譜實(shí)驗(yàn)裝置： 設(shè)計(jì)：李波3. 3. 激光誘導(dǎo)熒光光譜激光誘導(dǎo)熒光光譜3.1 3.1 激光誘導(dǎo)熒光原理：激光誘導(dǎo)熒光原理： 處于基態(tài)的低等粒子吸收光能后背激發(fā)，隨后會(huì)發(fā)生輻射躍遷，當(dāng)躍遷發(fā)生在同一個(gè)多重態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)出熒光輻射。熒光輻射的強(qiáng)度正比于粒子密度。 用來(lái)測(cè)量自由基和離子相對(duì)密度，速度分布，氣體溫度和電場(chǎng)分布。用來(lái)測(cè)量自由基和離子相對(duì)密度，速度分布，氣體溫度和電場(chǎng)分布。 假設(shè)處于初態(tài)1的原子散射了激光輻射場(chǎng)的光子，激光輻射場(chǎng)的光頻率與散射原子從初態(tài)1到中間態(tài)2的躍遷產(chǎn)生共振，在散射后原子通過(guò)發(fā)射能量為hv23的熒

5、光光子而停留在終態(tài)3上。初始原子密度N1與激發(fā)激光每個(gè)脈沖中探測(cè)器接受到的熒光光子數(shù)Ff有關(guān)： C為對(duì)于共振散射依據(jù)微分截面給出的系數(shù)，F(xiàn)e為每激光脈沖中的光子數(shù)，a和分別為截面和激光束的譜線寬度， Vf為激光激發(fā)的并由光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)的等離子體積，為透射系數(shù)，為立體角。 fefVNaFCF1設(shè)計(jì)：李波3. 3. 激光誘導(dǎo)熒光光譜激光誘導(dǎo)熒光光譜3.1 3.1 激光誘導(dǎo)熒光原理：激光誘導(dǎo)熒光原理： 激光誘發(fā)熒光技術(shù)還可以直接測(cè)量等離子的離子溫度 2022ln8 cmTii設(shè)計(jì)：李波3. 3. 激光誘導(dǎo)熒光光譜激光誘導(dǎo)熒光光譜3.2 3.2 激光誘導(dǎo)熒光光譜激光誘導(dǎo)熒光光譜 設(shè)計(jì)：李波3. 3. 激

6、光誘導(dǎo)熒光光譜激光誘導(dǎo)熒光光譜3.1 3.1 激光誘導(dǎo)熒光原理：激光誘導(dǎo)熒光原理： 激光誘發(fā)熒光實(shí)驗(yàn)裝置 設(shè)計(jì)：李波4. 4. 光腔衰蕩光譜光腔衰蕩光譜4.1 4.1 光腔衰蕩光譜原理：光腔衰蕩光譜原理： 將脈沖激光束從線性共振腔的入射鏡射入共振腔，探測(cè)從出射鏡射出的光束。由于共振腔內(nèi)光經(jīng)過(guò)反射鏡的透射，散射，吸收等損耗和共振腔內(nèi)氣相基團(tuán)的光吸收，射入光腔的光強(qiáng)度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，通過(guò)測(cè)量衰減時(shí)間與頻率的關(guān)系，就可以得到共振腔內(nèi)基團(tuán)的吸收光譜。Leff為吸收介質(zhì)中的有效吸收路徑長(zhǎng)度；k(v)為與頻率相關(guān)的吸收系數(shù)。定義為： effLvkvIvI)()()(ln0linelinedvvkdvvnnS)()(設(shè)計(jì)：李波4. 4. 光腔衰蕩光譜光腔衰蕩光譜4.1 4.1 光腔衰蕩光譜原理：光腔衰蕩光譜原理： 在經(jīng)過(guò)m個(gè)往返后，從光腔射出的光強(qiáng)為： 定義衰減時(shí)間為： 在高反射率的情況下： 對(duì)于空腔k=0和光腔完全充滿吸收介質(zhì)d=L時(shí)，定義 有效路徑 Leff=c0=L/(1-R) 吸收系數(shù)為： )exp(0mmtII)ln)()(RdvkcLvmkdmII20)(Re)1 ()()(RdvkcLvdcLvvvkvn)(1)(1)()(0設(shè)計(jì)：李波4. 4. 光腔衰蕩光譜光腔衰蕩光譜4.2 4.2 光腔光腔衰蕩光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的衰蕩光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得獲得： 1