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激光加工中光化学作用的检测方法分析

2013-03-03 00:05
老猫
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  1.5 激光光化学作用过程检测

  激光加工材料的时间尺度非常短,激光切割、焊接、熔覆等热作用过程会在若干个微秒时间内完成;而激光光化学过程导致的光子吸收、能级跃迁、离解或电离过程的时间尺度更短。在激光的强辐射场下还可能发生许多相互串联和交叉的次级过程,形成非常复杂的体系,产生多种产物碎片及光热效应,产物碎片在复杂体系中又进一步被激励、离解或电离,最终生成许多中性碎片及带电粒子,对激光加工中光致碎片的质量分布研究可以了解材料在光化学离解时各种通道的分支比;分子和离子产物也带有能量,部分产物处于电子、振动、转动的激发态或具有平动能,对产物的能量分布研究为了解光化学过程光解通道和机理提供了许多信息,如光的激励过程、过渡态中的能量分布、势能面的构造等;光致碎片的空间角分布也为光化学作用动力学以及化学组成提供了信息。

  光化学作用过程检测采用具有时间分辨的光谱仪、质谱仪等对加工中产生的分子离子和碎片粒子的收集检测,分析其质量、能量、空间角等的分布,分析生成物的产生和分布规律。

  飞行时间质谱通过对碎片质量分布的检测分析来判定产物原子种类或自由基的数量,可在分子束实验装置中测量不同方向上的碎片分布,实现比较精细的测量。Hess对碎片的飞行时间检测获取产物的平动能分布后指出,激光能量密度与烧蚀产物平动能的关系可用于判别激光烧蚀是属于激光热作用过程还是光化学作用过程,激光光化学解离和电离过程,产物的平动能仅取决于激光波长,与能量密度无关。赵胜利等人对355nm激光低能量密度条件下烧蚀LiMn204得到的反应产物TOF谱发现,产物中原生离子的平动能基本不随激光能量密度的增大而变化,而中性产物的平动能随激光能量密度的增大略有增加,推断激光烧蚀LiMn204产生的中性产物可能是由光热过程产生的,而离子产物主要通过非热的光解离和电离过程。M. Kuhnke等人对紫外激光消融多种聚合物过程的飞行时间质谱分析表明,光热作用产生的碎片粒子动能满足Maxwell-Boltzmann分布规律;而光化学离解产生的碎片具有更多的动能,对准分子紫外激光刻蚀聚合物的质谱分析表明光解刻蚀的主要产物是小分子量的中性碎片。在低能量密度(破坏阈值附近)的条件下光化学作用的可能性更大,可检测到中性碎片和带电粒子。

  时间分辨的光谱和质谱分析具有简单轻巧、响应快速、灵敏度高、分辨率高等特点,对测定对象没有质量范围的限制,但由于其使用条件及环境的要求较高,在研究激光光化学作用的检测手段中应用较少。

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