LIF在等離子體上的應(yīng)用診斷開始于1975年左右，首先是由R.Stern和J.Johnson提出的利用LIF裝置可以測(cè)量中性基團(tuán)和離子的相對(duì)速度、速度分布函數(shù)等。90年代后，LIF被陸續(xù)應(yīng)用到了ECR、ICR、磁控管、螺旋波HELIX、ICP以及微波驅(qū)動(dòng)CVD等

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更新時(shí)間：2025-11-08

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前言

作為物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)的等離子體通常由電子、離子和處于基態(tài)以及各種激發(fā)態(tài)的原子、分子等中性粒子組成。等離子體中帶電離子間庫(kù)倫相互作用的長(zhǎng)程特性，是帶電粒子組分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)等離子體特性的影響起決定性作用，其中的電子是等離子體與電磁波作用過程中最重要的能量與動(dòng)量傳遞粒子，因此，等離子體中最重要的基本物理參數(shù)是電子密度及其分布以及描述電子能量分布的函數(shù)以及相應(yīng)的電子溫度。而對(duì)于中高氣壓環(huán)境下產(chǎn)生的非熱低溫等離子體來(lái)說(shuō)，等離子體中的主要組分是處于各種激發(fā)態(tài)的中性粒子，此時(shí)除了帶電粒子外，中性粒子的分布和所處狀態(tài)對(duì)等離子體電離過程和穩(wěn)定性控制也起著非常重要的作用，尤其是各種長(zhǎng)壽命亞穩(wěn)態(tài)離子的激發(fā)。

為了可以充分描述等離子體的狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)上不僅要對(duì)帶電粒子的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行診斷，如電子溫度、電子密度、電離溫度等參數(shù)，還需要對(duì)等離子體中的中性粒子進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，來(lái)獲得有關(guān)物種的產(chǎn)生、能量分布以及各個(gè)激發(fā)態(tài)布居數(shù)分布等信息，如氣體溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度、振動(dòng)溫度、激發(fā)溫度等參數(shù)。

基于這種要求，結(jié)合相關(guān)學(xué)科的各種技術(shù)形成了一個(gè)專門針對(duì)等離子體開展診斷研究的技術(shù)門類，如對(duì)等離子體中電子組分的診斷技術(shù)有朗繆爾探針法（Langmuir Probe），干涉度量法(Interferometer)，全息法(Holographic Method)，湯姆遜散射法(Thomason Scattering, TS)，發(fā)射光譜法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，對(duì)離子組分的光譜診斷技術(shù)有光腔衰減震蕩(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和發(fā)射光譜法(OES)，而對(duì)中性粒子的光譜診斷技術(shù)包括了吸收光譜法(Absorption Spectroscopy, AS)，發(fā)射光譜法(OES)，單光子或者雙光子激光誘導(dǎo)熒光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等。

二、激光誘導(dǎo)熒光（LIF or TALIF）

LIF在等離子體上的應(yīng)用診斷開始于1975年左右，首先是由R.Stern和J.Johnson提出的利用LIF裝置可以測(cè)量中性基團(tuán)和離子的相對(duì)速度、速度分布函數(shù)等。90年代后，LIF被陸續(xù)應(yīng)用到了ECR、ICR、磁控管、螺旋波HELIX、ICP以及微波驅(qū)動(dòng)CVD等等離子體源中。

2.1、等離子體 LIF診斷的基本模型

處于基態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的粒子吸收具有一定能量的光子后被激發(fā)，再?gòu)募ぐl(fā)態(tài)衰變?yōu)樽孕嘀囟认嗤幕鶓B(tài)或低能態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)出熒光輻射。而熒光光強(qiáng)與粒子數(shù)成正比，因此，通過測(cè)量熒光光強(qiáng)，可以確定處于基態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的粒子密度。由于這種熒光發(fā)射的時(shí)間長(zhǎng)度低于微妙量級(jí)，必須采用脈沖寬度在納秒量級(jí)的激光來(lái)激發(fā)熒光，這種診斷方法因此被稱作激光誘導(dǎo)熒光（LIF）。

圖1. LIF基本原理圖

圖１[1]為L(zhǎng)IF的基本原理圖，在一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)中：離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)照射激光能量等于躍遷激發(fā)的能量，離子被泵浦到激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，離子又會(huì)迅速退激到基態(tài)并輻射出熒光。在激發(fā)態(tài)上停留時(shí)間很短暫（一般只有幾納秒寬度）。由于離子不是靜止的，根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，在激光傳輸方向上存在一個(gè)速度選擇，只有在激光傳輸方向上滿足一定速度的離子才能被特定頻率的激光誘導(dǎo)激發(fā)：窄帶激光束（ωlaser，κlaser）入射，在入射方向上，只有離子速度和激光頻率滿足關(guān)系式時(shí)，才能通過相應(yīng)的激光激發(fā)被泵浦到激發(fā)態(tài)。對(duì)入射激光頻率進(jìn)行掃描變換，測(cè)量相應(yīng)的熒光光強(qiáng)變化，就能得到亞穩(wěn)態(tài)離子速度分布函數(shù)在入射激光方向上的投影。如果假定亞穩(wěn)態(tài)離子溫度和主體基態(tài)離子溫度一致，離子速度分布函數(shù)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)即可獲得。

2.2、典型LIF實(shí)驗(yàn)架構(gòu)與世界上的LIF架構(gòu)參考

如圖2所示，為典型的等離子體裝置LIF診斷實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖。

圖2 典型的等離子體LIF診斷架構(gòu)圖

因?yàn)榛鶊F(tuán)和粒子的激發(fā)波長(zhǎng)不同，因此我們選擇了波長(zhǎng)可調(diào)諧的納秒脈寬染料激光器，通過添加不同的染料，輸出不同的波長(zhǎng)對(duì)被測(cè)試的粒子和基團(tuán)進(jìn)行激發(fā)，從而得到激光誘導(dǎo)的熒光衰減與光譜信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)由相關(guān)的搜集光路被捕獲到光譜儀與ICCD探測(cè)器組成的光譜探測(cè)系統(tǒng)中，從而得到光譜、強(qiáng)度與時(shí)間尺度的三維熒光光譜，讓研究人員進(jìn)行相關(guān)的分析。圖中所用的DG535/645作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)序控制裝置。

圖3到圖4為世界上比較典型的不同等離子體裝置的LIF診斷情況。