激光诱导击穿光谱技术因其非接触、快速响应和元素识别能力强等优点,被广泛应用于材料分析、环境监测及工业过程控制等领域。在尝滨叠厂过程中,高能激光脉冲聚焦于样品表面,瞬间产生高温高压的等离子体,其初始温度可达数千至数万开尔文,并在微秒甚至纳秒量级内迅速演化。准确获取这一瞬态高温等离子体的温度场信息,对理解等离子体动力学、优化尝滨叠厂参数以及提升定量分析精度具有重要意义。在此背景下,瞬态高温计作为一种具备高时间分辨率与宽测温范围的非接触式测温工具,逐渐成为研究激光诱导等离子体热力学特性的关键技术手段。
瞬态高温计通常基于黑体辐射或灰体辐射原理,通过检测目标在特定波段的辐射强度反演其温度。与传统稳态高温计不同,瞬态高温计强调对快速变化温度场的动态捕捉能力,其响应时间可达到纳秒甚至亚纳秒级别,能够有效匹配激光等离子体的演化时序。目前常见的包括多通道光电二极管阵列高温计、高速红外热像仪、以及基于光纤耦合的多光谱高温计等。这些系统通过同步触发机制与激光脉冲精确对齐,实现对等离子体从形成、膨胀到冷却全过程的连续温度监测。 在实际应用中,用于激光诱导等离子体温度场测量面临若干技术挑战。首先,等离子体并非理想黑体,其发射光谱包含强烈的原子/离子线状谱与连续谱迭加,需采用合适的辐射模型(如局部热力学平衡假设下的厂补丑补-叠辞濒迟锄尘补苍苍方程)进行温度反演。其次,等离子体空间分布不均,中心区域温度显着高于边缘,因此高温计的空间分辨能力亦至关重要。部分研究通过结合成像光学系统与多点探测,构建二维瞬态温度场图像,从而更全面地反映等离子体热结构。此外,背景杂散光、窗口污染及探测器饱和等问题也需通过滤光、快门控制和信号校正等手段加以抑制。
近年来,已有多个研究团队成功将瞬态高温计集成于LIBS实验平台。例如,某研究利用双波长比色法瞬态高温计,在532 nm与1064 nm两个通道同步采集等离子体辐射信号,实现了对铝靶等离子体在0–10μs时间窗内的温度演化追踪,结果表明等离子体初始温度高达18000 K,并在2μs内迅速衰减至6000 K以下。另一项工作则采用高速多光谱瞬态高温计,结合时间分辨光谱技术,不仅获取了温度时序曲线,还反演出电子密度与激发温度的一致性,验证了局部热力学平衡条件的有效时间窗口。
展望未来,瞬态高温计在激光诱导等离子体研究中的应用仍有广阔发展空间。一方面,随着超快探测器与人工智能算法的发展,高温计的时间与空间分辨率将进一步提升,有望实现对等离子体微观结构(如激波前沿、羽流边界)的精细测温;另一方面,多物理场耦合建模(如流体-辐射-化学反应耦合)将依赖高精度瞬态温度数据进行验证与优化,从而推动尝滨叠厂从定性走向高精度定量分析。