16836

16836

مطالعه تجربي شكست اپتيكي و بررسي مشخصات پلاسماي مس و آلومينيوم توليد شده با استفاده از ليزر پالسي نانوثانيه در محيط هوا

كارشناسي ارشد

اتمي مولكولي

بهمن 1395

دكتر محمدحسين مهديه

فيزيك

در اين پايان‌نامه فرآيند شكست اپتيكي طي بر‌همكنش ليزر Nd:YAG با طول موج 1064nm و طول پالس ns 10~ با نمونه‌هاي جامد مس و آلومينيوم در هوا مورد بررسي قرار گرفته است. مطالعات مربوط به تعيين مشخصات پلاسماي توليد شده با استفاده از روش طيف‌سنجي نشري اپتيكي انجام گرديد. دماي الكترون در پلاسما با استفاده از روش نمودار بولتزمن در تاخير زماني يك و دو ميكروثانيه اندازه‌گيري شد. همچنين چگالي الكترون با استفاده از روش پهن‌شدگي اشتارك محاسبه گرديد. روند تغييرات دماي الكترون و چگالي الكترون نيز با تغيير شدت ليزر در محدوده GW/cm2 18٫23-5٫21 محاسبه شده است. نتايج بدست آمده نشان مي‌دهند كه با تغيير انرژي پالس ليزر، دماي الكترون از 9210 تا 10310 كلوين در تاخير زماني يك ميكروثانيه و از 9115 تا 9850 كلوين در تاخير زماني دو ميكروثانيه تغيير مي‌كند. همچنين روند تغييرات چگالي الكترون براي تاخير زماني يك ميكروثانيه از cm-3 5.4×1017 تا cm-3 9.85×1017 و در تاخير زماني دو ميكروثانيه از cm-3 2.48×1017 تا cm-3 7.44×1017 محاسبه شد. محاسبات مربوط به دما و چگالي الكترون در نمونه آلومينيوم، همانند نمونه مس و در همان محدوده شدت انجام شد. نتايج محاسبات حاكي از آن است كه، دماي الكترون در تاخير زماني يك ميكروثانيه از 9955 تا 10440 كلوين و در تاخير زماني دو ميكروثانيه از 9815 تا 10275 كلوين تغيير مي‌كند. همچنين دامنه تغييرات چگالي الكترون در محدوده شدت داده شده، براي تاخير زماني يك ميكروثانيه از cm-3 3.62×1017 تا cm-3 4.44×1017 و در تاخير زماني دو ميكروثانيه از cm-3 3.33×1017 تا cm-3 4.09×1017 مي‌باشد. به منظور تاييد محاسبات تعيين چگالي الكترون در هر دو نمونه، از پهناي خط هيدروژن-آلفا در طول موج 656٫27 نانومتر استفاده شده و محاسبات براي يكي از شدت‌هاي ليزر تكرار گرديد. با انجام محاسبات با اين روش، مقدار چگالي محاسبه شده در هر دو نمونه تاييد مي‌گردد. فرضيات نازك بودن پلاسما از لحاظ اپتيكي و شرايط تعادل ترموديناميكي موضعي نيز در هر دو نمونه مورد بررسي قرار گرفتند و مشخص شد كه اين شرايط ارضا مي‌شوند. واژه‌هاي كليدي: دما و چگالي الكترون؛ طيف‌سنجي نشري اپتيكي؛ شكست اپتيكي؛ گسيل پلاسما؛ مس و آلومينيوم.

1395/12/09

1/1/1900 12:00:00 AM

In this thesis, we studied laser induced breakdown via the interaction of high power Nd:YAG laser operating at fundamental wavelength of 1064 nm an​d pulse duration ~10 ns with solid copper an​d Aluminum target in ambient air. Electron temperature an​d density of laser induced copper an​d Aluminum plasma experiment were measured using Optical Emission Spectroscopy by Boltzmann plot method an​d stark broadening, respectively. The electron temperature an​d density was determined for the condition of laser intensity varying from 5.21-18.23 GW/cm2. The results showed that by changing the laser pulse energy, electron temperature in the copper plasma varies from 9210-10310 K for recording the spectrum with delay time 1μs an​d 9115-9850 K for delay time 2μs. According to our results within the applied laser pulse energy ranges, the estimated electron density increases from 5.4×1017 cm-3 to 9.85×1017 cm-3 for recording spectrum with delay time 1μs an​d 2.48×1017 cm-3 to 7.44×1017 cm-3 with delay time 2μs. Calculation of the electron temperature an​d density in the Aluminum sample, such as the copper sample was performed at the same intensity range. The consequences indicated electron temperature in the delay time 1 an​d 2 μs varies from 9955 to 10440 K an​d 9815 to 10275 k, respectively. Also, the estimated electron density increases from 3.62×1017 cm-3 to 4.44×1017 cm-3 for recording spectrum with delay time 1μs an​d 3.33×1017 cm-3 to 4.09×1017 cm-3 with delay time 2μs. In order to verify the validation of the results for the electron density, hydrogen-alpha line was inspected. Also, the validity of the assumption of local thermodynamic equilibrium an​d the optically thin plasma (effect of self-absorption) were discussed. Keywords: Electron temperature an​d density; Optical Emission Spectroscopy; Optical Breakdown; plasma emission; Copper an​d Aluminum.