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利用朗缪尔探针表征评估激光烧蚀Zr等离子体的电子温度与电子密度及其与表面改性的关联

DOI：10.1017/S026303462000004X 期刊：Laser and Particle Beams 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 采用Q开关Nd:YAG激光器（532 nm，6 ns）在不同辐照度（8.6至15.5 GW/cm2）下，通过朗缪尔探针技术研究了激光烧蚀锆（Zr）的等离子体参数。所有测量均在超高真空条件下进行，探针与靶材保持4 mm固定距离。通过调节偏压1至75 V，由示波器测量探针对应电流值。根据朗缪尔探针数据的I-V特性曲线，评估了激光诱导Zr等离子体的电子温度、电子数密度、等离子体电位、德拜长度和热速度等参数。研究发现：随着激光辐照度增加，Zr等离子体的电子温度（18-41 eV）和热速度（2.8×10?-4.3×10? cm/s）均呈上升趋势，这归因于能量沉积增加和烧蚀速率提升；但电子数密度在8.6-10.9 GW/cm2辐照度范围内仅从6.5×101?增至6.7×101? cm?3（增幅不显著），当辐照度进一步增至12-15.5 GW/cm2时，数密度反而从6.1×101?降至5.6×101? cm?3，此现象源于厚鞘层形成、双极电场及激光支持爆轰波（激波前沿）的作用。扫描电镜分析揭示了辐照后Zr的表面形貌特征，包括裂纹、脊状结构、锥体和晶粒。高辐照度下脊状结构消失，锥体和裂纹成为主导特征。通过调控等离子体参数可控制材料表面结构化，这在工业和医学领域具有广泛应用前景。
作者： Zulaikha Irfan，Shazia Bashir，Shariqa Hassan Butt，Asma Hayat，Rana Ayub，Khaliq Mahmood，Mahreen Akram，Amna Batool
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

探究不同激光辐照度对4毫米靶-探针距离下锆（Zr）等离子体参数的影响，以及随着能量沉积增加，激光辐照度的提升如何转化为锆等离子体的动能与电离状态。

研究成果

朗缪尔探针是研究锆靶激光烧蚀后等离子体参数的有效诊断工具。锆等离子体的电子温度和电子密度均与激光辐照度密切相关。通过控制等离子体参数，可以调控各种表面结构的形成与生长，这在工业和医学领域具有广泛应用前景。

研究不足

该研究仅限于在特定激光辐照度和固定探针与靶材距离下对Zr等离子体参数的探究。更高辐照度下厚鞘层的形成、双极电场以及激光支持爆震波的产生可能会影响电子数密度测量的准确性。

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