中文題目：鹽的激光感生電壓信號在納秒脈沖激光檢測中的應用

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

錄用期刊/會議：2023 China Automation Congress (EI)

原文DOI：10.1109/CAC59555.2023.10450599

錄用/見刊時間：2024-04-19

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） 王麗君 中國石油大學（北京）新能源與材料學院材料科學與工程專業 碩21

4） 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

5） 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

6） 詹洪磊 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:

本文提出了一種檢測納秒(ns)脈沖激光能量的方法。偏置電壓（V_b）和激光能量（E_in）對食鹽的激光感生電壓（LIV）信號幅值（V_p）影響較大，V_p隨V_b和E_in的增大而增大，信號響應時間約為150μs。受阻抗效應的影響，LIV信號的響應速度和峰值V_p隨著負載（R）的減小而增大。當R=100 Ω時，LIV的響應時間與納秒脈沖激光相似（?20 ns）,完全受激光脈沖持續時間的限制。該研究表明，食鹽的LIV響應具有實時超快單脈沖激光檢測的潛力。

背景與動機:

隨著納秒脈沖激光器應用的普及，單脈沖激光能量的實時、精確測量成為了有待解決的技術難題。當具有高能量通量的納秒脈沖激光照射到樣品上時，樣品表面會形成等離子體羽流，它們是微加工、元素分析、鉆孔等工程應用中的主要研究對象。然而，這些等離子體受多種因素的影響（例如靶材特性、單脈沖能量、波長、輻照頻率等等）。因此，如何測量快速單脈沖激光信號能量，提取、捕獲相關信息就更為關鍵和具有挑戰性。其中，激光誘導等離子體（LIP）在攜帶樣品信息的同時還可以作為信號源，被外接電路捕獲，生成激光感生電壓（LIV）信號。而食鹽因為具有價格低、獲取方便、在可見光譜透明等特點，我們選用食鹽為脈沖激光的檢測材料，進行單脈沖能量的檢測和分析。

實驗結果及分析:

圖1為激光輻照在樣品上產生的LIV響應信號，隨著偏置電壓V_b和入射激光能量E_in的增加，信號的峰值（V_p）也會隨著電極接收到等離子數目的增加而增大。

圖1 （a）LIV響應信號；（b）V_p隨V_b和E_in的函數關系

圖2顯示了LIV隨外接負載R的變化情況，受檢測電路阻抗的影響，信號的半高寬（FWHM）和峰值V_p均與R呈正相關。

圖2（a）LIV信號隨負載的變化；（b）半高寬和峰與負載R之間的關系

當R=100Ω時，如圖3所示，受脈沖脈寬時長的限制，響應信號的半高寬一直維持在20 ns左右，V_p隨V_b的增加而增加。

圖3 負載為100Ω時，FWHM和V_p隨V_b的變化函數

圖4顯示了LIV的信號隨Ein的變化呈單調的正相關關系，單位偏壓下的探測響應度為1.93 × 106 m^1/2·J^-3/2，且監測到的LIV波形與脈沖激光的波形結構類似。

圖4 負載為100Ω時，LIV信號和V_p與E_in的變化

結論:

本研究基于食鹽的LIV響應特征設計了測量超快單脈沖紫外激光器的實驗系統。通過調節負載R的阻值，實現脈沖激光波形和能量的實時檢測。LIV 響應峰值V_p受V_b，E_in和R的影響。隨著R的降低，LIV的響應速度增加。在R=100 Ω，食鹽檢測到的LIV信號響應時間~20 ns，這近似于光源的脈沖寬度。該項工作為簡單、低成本的ns脈沖激光實時表征提供了新的見解。

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Chemical Engineeeing Journal、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。