空间分辨光谱技术在低温等离子体中的应用

激光光谱技术是一门广泛应用的重要测量检测方法。光谱分析已应用到原子分子物理、化学反应动力学、等离子体诊断、食品检测等研究、生产和生活领域。低温等离子体处于非热平衡状态和具有空间不均匀性，在不同放电形式和放电条件下，不同空间区域的等离子体参数（激发态和亚稳态粒子、活性基团等粒子的密度、动能和内能以及电子密度、电子温度等）和主要的物理化学过程并不相同，对其参数空间分布的测量将是精确掌握等离子体状态的重要方法。我们综合应用自发辐射荧光光谱、激光诱导荧光光谱和吸收光谱等多种光谱技术，组合放大成像、空间滤波光学系统，可以对低温等离子体的状态参数进行空间分辨光谱测量，从而揭示等离子体参数的空间分布情况和不同区域中所发生的主要物理化学过程，掌握实验上可测量的等离子体参数和实际中可控制的放电状态之间的关系，为进一步研究等离子体与表面的相互作用以及低温等离子体的应用提供可靠且重要的理论实验基础。

本课题通过搭建光学实验系统制作了对称共焦法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer)，建立了空间分辨吸收光谱实验光学平台，对低温等离子体进行了光谱诊断。通过激光吸收光谱测量了低气压电容耦合等离子体中He和Ar亚稳态温度和密度的空间分布，发现在CF4-Ar-He混气13.56MHz射频放电中，混入CF4后He亚稳态23S1在接近功率电极部分的温度略高于接地电极处；在Ar-CF4混气60MHz、200W功率输入的条件下，Ar亚稳态1s5和1s3温度的空间分布接近功率电极部分也比接地电极处高，原因是加入CF4后功率电极上鞘层电压较接地电极鞘层高，离子轰击能量更大，对气体加热作用更强。在He气大气压等离子体射流中，对三体碰撞及红外激光激发He原子跃迁进而增强He2分子荧光的实验报道进行了讨论和初步实验。在电容耦合等离子体中约1 Torr的He-O2混气放电，640 nm附近出现的荧光被归属为O2+ b4Sg‒->a4Πu跃迁，同时提出针对红外激光激发增强He2分子640 nm处荧光的进一步实验设想。. 同时，我们对碱金属分子光谱结构和Fano谱峰非相干叠加进行了分析研究。在Case (a_beta)基函数下推导出分子哈密顿量的具体表达式，对Cs2 23Dg态的超精细结构进行分析和模拟计算，阐明了实验上23Dg Omega=1分量中没有观测到较大超精细分裂的原因。模拟计算也表明23Dg Oemga=2分量的超精细分裂最小，而Omega=3分量的最大，给今后的实验提供指导。对两个Fano谱峰的非相干叠加情况进行了讨论，从数学上严格证明了非相干叠加的Fano谱峰可以获得比探测激光线宽还要窄的峰宽。总之，通过搭建实验平台采用光谱技术对低温等离子体进行诊断，分析谱峰结构和物理化学过程，完成课题目标。