中文題目：基于食鹽激光感生電壓的超快紫外激光脈沖檢測

論文題目：Laser-induced voltage of table salt for deep ultraviolet pulsed laser detection

錄用期刊/會議：iScience (中科院大類2區，JCR Q1)

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109424

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258900422400645X

錄用/見刊時間：2024年4月19日

作者列表：

1） 劉學聰 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程專業 博22

2） 趙   昆 中國石油大學（北京）新能源與材料學院材料科學與工程系教師

3） 苗昕揚 中國石油大學（北京）新能源與材料學院材料科學與工程系教師

摘要:

為滿足超快深紫外（UV）脈沖激光探測器響應快、過程簡單的要求，本工作采用食鹽作為激光檢測材料，結合可變電阻實現單脈沖激光檢測和等離子體動力學過程檢測，建立了激光感生電壓（LIV）的等效電路模型。在KrF準分子激光器照射下，樣品的LIV響應受激光誘導等離子體的動力學過程影響，響應趨勢符合等離子羽流的空間演化特征函數。LIV的振幅（V_p）與系統施加的偏置電壓（V_b）和入射激光能量（E_in）呈正相關關系，與響應時間呈負相關。當可變電阻（R）減小到14.7 Ω時，LIV的響應時間縮減到與激光脈沖的脈寬相同的時間（～20 ns），最終實現了紫外單脈沖能量的實時監測。

背景與動機:

靶材表面在高能激光的照射下會產生快速膨脹的熱和部分電離的蒸氣羽流，常被應用于精密微加工、診斷技術、醫學、材料加工、納米級合成等領域，因此受到了人們越來越多的關注。其中高能脈沖激光輻照下產生的等離子羽流信息不僅可以作為靶材定量和定性分析的重要參數，還可以作為信號源，被外部電路檢測收集。近些年來，隨著激光加工工藝和半導體產業的迅速崛起，實時測量紫外脈沖激光器的特性信息至關重要，特別是對于單脈沖激光能量的實時檢測。然而，高能紫外脈沖激光器由于其熱效應低、脈沖寬度窄，對傳統的激光能量檢測系統提出了挑戰。而高能激光輻照下產生的等離子體羽流受單脈沖激光能量的影響，因此激光誘導等離子檢測有望成為深紫外單脈沖監測的利器。

設計與實現:

如圖1所示，本文以波長為248 nm，脈寬為20 ns的紫外脈沖激光為激發光源，輻照在樣品上的脈沖能量為13 到 25 mJ 之間可調。樣品被放置在一個方形的石英比色皿中。四根銅電極分別連接 Keithley 2400數字源表、負載和示波器，用于提供外場和檢測LIV響應信號。

圖1 實驗測試裝置示意圖

實驗結果及分析:

圖2為系統檢測到的單脈沖激光輻照下的LIV響應信號，基于Maxwell–Boltzmann理論建立的離子膨脹函數模型，數據可以由三個指數函數擬合，因此，LIV響應信號特征受等離子的空間動力學過程影響。

LIV響應的擬合參數：

LIV (t)/E_in = – A₁e^-t/τ1 – A₂e^-t/τ2 + A₃e^-t/τ3

圖2 食鹽LIV響應的時間演化函數

如圖3所示，LIV響應的三個指數函數分別對應等離子體羽流的電離產生、膨脹和復合過程。

圖3 等離子體的（A）產生過程、（B）膨脹過程、（C）復合過程

圖4和圖5為激光能量（E_in）和偏置電壓（V_b）對LIV響應參數的影響。LIV的響應隨E_in和V_b增加而增加，LIV信號的半高寬（FWHM）和上升時間（t_r）隨E_in和V_b的變化呈負相關關系。當E_in=22.3 mJ時，LIV的響應度R*最大為8.07 V/J。

圖4 不同激光輻照能量下的（A）LIV響應曲線和（B）信號參數和E_in之間的函數關系

圖5 LIV信號參數和V_b之間的函數關系

圖6和圖7為并聯負載電阻R后的LIV響應信號和參數特征，LIV受阻抗效應的影響，R*，FWHM和t_r均正比于R。當固定電阻為14.7Ω時，受電路中RC常數的影響，食鹽的LIV響應時間與輻照激光的脈寬一致（?22 ns），并且ln(V_p)∝E_in。

圖6 （A）LIV信號隨負載的變化；（B）R*、FWHM和t_r與R的函數關系

圖7 LIV信號參數和V_b之間的函數關系

如圖8所示，整個LIV測試電路可以等效為電容和電阻并聯的RC電路，電路在整個檢測過程中檢測到的阻抗變化由結構阻抗和樣品產生的等離子體阻抗，因為LIV受電路阻抗的影響，所以V_p會隨著R的變化而單調增加。

圖8 （A）測試的等效電路；（B）等離子體鞘層示意圖

結論:

利用實驗的LIV響應特征，結合阻抗效應實現單脈沖紫外激光器的快速檢測。整個LIV 響應受等離子體動力學過程的影響，信號的V_p、FWHM和r_t與V_b、E_in和R相關。當 R=14.7 Ω時，整個測試電路的阻抗與示波器匹配，LIV響應時間等于激光脈沖寬度 （≈20 ns），響應度R*為～0.17 V/J，ln（V_p）線性依賴于E_in(斜率：～0.17 ln(mV)/mJ)。這里展示了一種檢測和分析激光-物質相互作用的方法，同時還可以實現單脈沖激光脈沖能量的實時監測。

作者簡介:

劉學聰，博士研究生，研究方向為油氣光學探測技術。在Chem. Eng. J、IEEE Sens. J、IEEE Trans. Instrum. Meas等期刊發表論文19篇，其中第一作者SCI論文9篇。獲第十三屆王濤英才獎學金、2024年中國儀器儀表學會二等獎學金、2023年中國儀器儀表學會學術年會優秀學術成果等獎項。

通訊作者簡介:

趙昆，教授，博士生導師，研究方向為油氣光學探測技術與智能制造。