基于激光吸收光谱同时追踪钆激光烧蚀羽流中的多个光谱参数

《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》：Simultaneous tracking of multiple spectral parameters in a gadolinium laser ablation plume by laser absorption spectroscopy

　　

本研究将时间分辨和空间分辨的激光吸收光谱（LAS）应用于高真空条件下金属钆（Gd）羽流的诊断。吸收光谱在所有观测条件下均呈现单峰高斯轮廓，未观察到光谱分裂。通过固定波长飞行时间（TOF）测量获得羽流膨胀速度约为10.26 km·s-1。研究人员通过同时追踪吸收度、状态柱密度（nil）和光谱宽度（σ）的时间演化发现，这些参数在羽流膨胀过程中呈现出不同的时间尺度特征。具体而言，状态柱密度随延迟时间单调衰减，而光谱宽度则经历先收缩后展宽的过程。吸收度峰值的时间行为反映了柱密度衰减与谱线宽度变化之间的竞争关系。研究表明，固定波长TOF吸收峰并非简单地反映局部密度最大值或羽流整体速度，而是由多个物理参数共同决定。多参数LAS分析方法拓展了光学TOF技术在重金属烧蚀羽流动力学研究中的应用范围。

论文解读文章

研究背景与科学问题

激光烧蚀（LA）技术广泛应用于薄膜沉积、纳米颗粒制备、分析化学和医学等领域。激光烧蚀产生的等离子体（LPP）具有极其快速和复杂的物理化学膨胀动力学特性，理解其中粒子的行为和温度对于优化基于LA的技术至关重要。在分析化学领域，LPP可直接原子化固体样品，结合光谱技术可实现核材料和放射性物质的核素分析与同位素组成测量。其中，激光吸收光谱（LAS）具有高分辨率、可探测过渡金属基态原子以及无需校准即可定量测定绝对数密度的优势。

然而，LAS在高精度分析应用中面临挑战：LPP的瞬态等离子体动力学特性导致其物理状态随时间剧烈变化——例如激发温度可在数微秒内从约8×10³ K降至3.5-4×10³ K。这种剧烈的时空变化要求仔细选择测量条件以获得高分辨率光谱，从而实现基于同位素位移的可靠同位素区分。现有研究中，固定波长飞行时间（TOF）测量被广泛用于获取羽流膨胀速度，但该吸收峰所追踪的物理量究竟是反映局部密度最大值、羽流整体速度还是其他参数的组合，尚未得到充分阐明。

针对上述问题，研究人员选择钆（Gd）这一具有重要核材料分析价值的镧系元素作为研究对象，旨在通过同时追踪吸收度、状态柱密度和光谱线宽的时空演化，阐明固定波长TOF峰的物理含义，并表征此前尚未被系统研究的镧系元素羽流内部膨胀动力学。

关键技术方法

研究人员搭建了一套包含真空腔室、激光烧蚀光路和激光吸收光谱光路的实验装置。采用Nd:YAG激光器（532 nm，脉冲能量24.5 mJ，脉宽3-5 ns）对纯度为99.9%的金属Gd靶进行烧蚀，腔室压力维持在约10^-4 Pa的高真空条件。可调谐外腔半导体激光器（波长394 nm）作为探测光源，通过扫描波长获得吸收光谱。观测高度通过垂直平移台在1至15 mm范围内调节，每个高度处同步移动聚焦透镜以保证烧蚀焦点始终位于靶面。探测光束经聚焦后直径约8.11×10² μm，信号由雪崩光电二极管采集，采样率100 MS/s。

研究结果

3.1 羽流膨胀速度

研究人员首先采用传统固定波长TOF方法，将探测激光波长固定在吸收线中心（394.4352 nm），在各观测高度记录吸收度随时间变化的波形。经Savitzky-Golay平滑处理后确定各高度的吸收峰到达时间，进而拟合得到线性自由膨胀函数d(t)=v₀(t-t₀)。排除1 mm数据点后，利用2-15 mm的14个数据点拟合得到膨胀速度v₀=10.26±0.32 km·s^-1和时间偏移t₀=0.735±0.011 μs。该速度约为相同实验条件下Gd氧化物羽流速度（3.88 km·s^-1）的2.6倍，归因于金属靶材更高的电离度使得更多中性原子被带电粒子主导的等离子体流夹带加速。

3.2 Gd原子的光谱特征

在1 mm高度、1 μs延迟时间下测量的典型吸收光谱呈单峰高斯轮廓，无显著不对称性或光谱分裂。所有观测高度和延迟时间下的吸收谱均保持单峰结构，因此统一采用单高斯函数进行分析。残余标准偏差仅为拟合峰吸收度的7.9%，且无系统性结构。与Al羽流中观察到的明显光谱分裂和接触层形成不同，Gd羽流的单峰行为更接近U羽流的情况，这可能与较重原子物种的不同膨胀动力学有关。

3.3 状态柱密度

状态柱密度n_il通过积分吸收光谱获得，其时间演化呈现单调衰减趋势。在早期阶段（~1 μs），柱密度较高，随着羽流膨胀和稀释逐渐降低。不同观测高度处的柱密度衰减速率存在差异，反映了羽流三维膨胀的空间不均匀性。

3.4 光谱宽度

光谱宽度σ的时间演化表现出更为复杂的行为：早期阶段（约1-3 μs）宽度随延迟时间减小（收缩），随后在较晚时间（约3 μs后）又逐渐增大（展宽）。这种先收缩后展宽的模式表明，早期Doppler展宽占主导，随着羽流冷却和速度分布变窄，谱线变窄；后期可能由于羽流内部碰撞效应或不同速度组分的混合导致谱线再次展宽。值得注意的是，在h≥9 mm处拟合残差出现系统性负偏差，这与光谱宽度演变模式的转变相对应。

3.5 多参数综合分析

通过同时比较吸收度、状态柱密度和光谱宽度的时间演化，研究人员揭示了固定波长TOF吸收峰的真实物理含义：吸收度峰值并非单纯反映局部密度最大值或羽流整体速度，而是状态柱密度衰减与光谱宽度变化之间竞争的结果。在早期阶段，柱密度衰减占主导，吸收峰随柱密度下降而降低；在特定时间窗口内，光谱宽度的收缩可以部分补偿柱密度的衰减，导致吸收度出现峰值。这一发现澄清了长期以来关于固定波长TOF测量物理意义的模糊认识。

总结与讨论

研究人员通过对高真空条件下Gd金属羽流进行时间分辨和空间分辨的LAS测量，成功实现了对吸收度、状态柱密度和光谱线宽三个参数的同时追踪。研究发现，状态柱密度和光谱宽度在羽流膨胀过程中展现出不同的时间尺度特征，而吸收度峰值反映的是两者竞争的结果而非单一物理量。这一多参数分析方法拓展了光学TOF技术在重金属烧蚀羽流动力学研究中的应用范围。

研究结论表明：第一，Gd金属羽流在高真空下呈现线性自由膨胀，速度为10.26 km·s^-1；第二，吸收光谱在所有条件下均为单峰高斯轮廓，无光谱分裂；第三，状态柱密度单调衰减而光谱宽度先收缩后展宽；第四，固定波长TOF吸收峰的物理含义需谨慎解释，它综合反映了多个光谱参数的耦合效应。该工作为理解镧系元素烧蚀羽流的膨胀动力学提供了新的视角，并为优化基于LAS的同位素分析条件奠定了理论基础。