1、第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-07-30基金项目:宁夏回族自治区自然科学基金(No.2021AAC03011)作者简介:柯莎(1985-),女,硕士,讲师,研究方向:理论物理,超导方向。E-mail:kesha2006 脉冲超导薄膜激光诱导电势差研究柯 莎,曾婷婷银川能源学院,银川 750100摘 要:精准的电势差值可以保证脉冲激光诱导击穿超导薄膜的稳定性,为了计算出激光诱导击穿超导薄膜的电势差,提出了脉冲超导薄膜激光诱导电势差研究。选择 TUrale-200 型号的激光
2、器和电势采集仪为实验设备,以 Nb 超导薄膜、Nb3Ge 超导薄膜、NbN 超导薄膜和 Nb3Sn 超导薄膜作为实验样本,基于激光诱导击穿超导薄膜的实验原理,利用最大值最小值标准化和 z-score 标准化法预处理实验数据,获取激光诱导击穿超导薄膜前后的电势差值。实验结果表明,当激发条件为 554 nm 时,激光诱导击穿 Nb 超导薄膜、Nb3Ge 超导薄膜、NbN 超导薄膜和 Nb3Sn 超导薄膜前后的电势差在 500 V 以内,满足激光诱导击穿超导薄膜的稳定性要求,当激发条件为 1 108 nm 时,激光诱导击穿 Nb 超导薄膜、Nb3Ge 超导薄膜、NbN 超导薄膜和 Nb3Sn 超导薄
3、膜前后的电势差超过了 600 V,无法满足超导薄膜对激光诱导击穿的稳定性要求。关键词:激光诱导;激光器;脉冲激光;电势差;超导薄膜;激发条件中图分类号:TN249 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.223Study on laser induced potential difference of pulsed superconducting thin filmsKE Sha,ZENG TingtingYinchuan University of Energy,Yinchuan 750100,ChinaAbstract:Accurate potential
4、 difference can ensure the stability of pulsed laser-induced breakdown of supercon-ducting thin films.In order to calculate the potential difference of laser-induced breakdown of superconducting thin films,a study on laser-induced potential difference of pulsed superconducting thin films is proposed
5、.TUrale-200 model laser and potential collector were selected as experimental equipment,Nb superconducting film,Nb3Ge super-conducting film,NbN superconducting film and Nb3Sn superconducting film were used as experimental samples,based on the experimental principle of laser-induced breakdown of supe
6、rconducting film,the maximum minimum value standardization and z-score standardization method were used to preprocess the experimental data to obtain the poten-tial difference before and after laser-induced breakdown of superconducting film.The experimental results show that when the excitation cond
7、ition is 554 nm,the potential difference before and after laser-induced breakdown of Nb su-perconducting film,nb3ge superconducting film,NbN superconducting film and Nb3Sn superconducting film is within 500 V,which meets the stability requirements of laser-induced breakdown of superconducting film.W
8、hen the excita-tion condition is 1 108 nm,the potential difference before and after laser-induced breakdown of Nb superconducting film,Nb3Ge superconducting film,NbN superconducting film and Nb3Sn superconducting film exceeds 600 V,it can-not meet the stability requirements of superconducting films
9、for laser-induced breakdown.Key words:laser induction;laser;pulsed laser;potential difference;superconducting thin film;excitation con-ditions1 引言脉冲激光诱导技术是一种 20 世纪后期逐渐发展起来的工业技术,利用脉冲激光诱导击穿超导薄膜是通过脉冲激光诱导等离子体的发射谱,判断物质的组成成分1。利用光学系统将一束高能量的脉冲激光聚焦处理,通过汇聚到超导薄膜表面,导致脉冲激光的能量密度比较高,在足够短的时间内,促进超导薄膜表面发生汽化电离,从而产生电势差
10、2。脉冲激光诱导击穿脉冲超导薄膜只需要对脉冲激光产生的等离子体电势进行检测、分析和采集,是获取电势差值http /的一种简单的方法。采用脉冲激光诱导击穿超导薄膜,不会对超导薄膜产生很大破坏性,而且可以快速获取击穿超导薄膜前后的电势数据,所以脉冲激光诱导更适用于有特殊要求的场合3。考虑到环境气压、能量密度和等离子体温度的影响,激光诱导在击穿超导薄膜前后形成的电势差很难确定,无法保证脉冲激光诱导击穿超导薄膜的稳定性。李成祥等人4通过引入分子动力学的方法,对激光诱导金属薄膜的电离过程进行了数值模拟研究,以金属薄膜为实验对象,分析了脉冲激光的参数对金属薄膜电离过程的影响程度,结果显示,受到脉冲激光的辐
11、射,金属薄膜的表面先受高温熔化,接着又被气化,气化之后的原子继续吸收脉冲激光的能量,从而完成电离过程;周素素等人5以碳等离子体为研究对象,为了分析碳等离子体在不同空气压力条件下的动力学特性,利用激光发射光谱对碳等离子体的形态进行了初步诊断,根据玻尔兹曼作图的基本原理,计算了碳等离子体中电子的分布温度,绘制了电子的温度和密度随时间的变化趋势曲线,结果显示,随着时间的变化,不同空气压力下的电子温度和密度呈现出相似的变化趋势,而且当空气压力为 0.01 Pa 时,就可以通过沉积作用成功制备得到石墨烯薄膜;施卫等人6采用基于投射式的太赫兹时域光谱系统作为实验数据采集系统,将激光诱导的区域划分为损伤区域
12、和未损伤区域,在不同的区域检测了熔石英,根据熔石英的形态,绘制了熔石英的时域光谱和在 0.8 1.25 THz 下的频谱图,以图像为依据,分析了激光诱导过程中,损伤区域和未损伤区域的折射率、峰峰值、吸收系数、透射谱和振幅等指标,结果显示,与未损伤区域相比,激光诱导损伤区域的折射率、峰峰值、透射谱和振幅都呈现出减小的趋势,伴随着激光诱导的能量密度逐渐增加,激光诱导损伤面积也随之变大,导致折射率、峰峰值、透射谱和振幅也减小,只有吸收系数越来越大。基于以上研究背景,针对激光诱导击穿超导薄膜前后的电势差进行研究,从而保证激光诱导击穿超导薄膜的稳定性。2 实验部分2.1 实验设备实验过程中用到的主要仪器
13、设备就是激光器和电势采集仪,对于激光器而言,在诱导超导薄膜时会受到探测对象和仪器稳定性的影响7,因此,选择TUrale-200 型号的激光器。该激光器出射的激光光束经过 1 032 nm 全反镜 45 全反射之后,会通过60 mm 平凸透镜垂直将激光束聚焦在超导薄膜表面8,聚焦后激光束的能量密度为 300 J/cm3。激光诱导击穿超导薄膜前后电势差实验所用的激光器参数如表 1 所示。表 1 激光器性能参数技术指标性能参数技术指标性能参数波长1 032 nm脉冲能量200 mJ脉冲宽度8ns重复频率1 Hz、3 Hz、5 Hz、10 Hz 和 25 Hz能量稳定性5%聚焦发散角15型号TUral
14、e-200使用的电势采集仪由两个主要硬件组成,分别是ARM 内核和高精度 A/D 芯片9,在仪器的内部结构中,抗干扰供电电路可以为激光诱导过程提供电能、数据采集模块可以准确获取激光诱导击穿超导薄膜的电势数据、数据处理模块中包括最大值最小值标准化和 z-score 标准化10,可根据激光诱导击穿超导薄膜实验的相关要求,完成激光诱导击穿超导薄膜时电势数据的采集任务。2.2 选取实验样品脉冲激光诱导击穿超导薄膜的电势差实验中,选取工业上经常使用的四种超导薄膜作为实验样本,分别为 Nb 超导薄膜、Nb3Ge 超导薄膜、NbN 超导薄膜和Nb3Sn 超导薄膜,每一种超导薄膜的大小都是 10 cm10 c
15、m,厚度为 2 mm。采集激光诱导击穿超导薄膜时的电势数据时,四种超导薄膜的表面都不做任何处理,每一组电势数据都是 10 次采集结果的平均值,将四种超导薄膜分别在 554 nm 和 1 108 nm 的激发条件下,分别保留 40 组电势数据。2.3 实验原理激光诱导击穿超导薄膜的电势差实验装备如图 1所示。图 1 实验装备示意图422柯莎,等:脉冲超导薄膜激光诱导电势差研究http /激光诱导击穿超导薄膜的原理是利用脉冲激光与超导薄膜表面之间的相互作用,通过激光诱导对超导薄膜的表面进行加热处理11,加快超导薄膜表面的热发射能力,促进超导薄膜表面出现轻微汽化,在超导薄膜表面形成金属阳离子和自由移
16、动的电子,在外部电场的作用下,带电粒子就会在超导薄膜表面发生相对运动12,在阴极附近,电场强度就会越来越大,从阴极场向外发射电子,而脉冲激光的作用还会向阴极提供电子,推动阴极的电子向阳极移动,当电子移动到阳极之后,就说明激光诱导通道被击穿,达到激光诱导击穿超导薄膜的目的。2.4 数据处理对实验数据的处理,可以获取原始变量中的信息,对激光诱导击穿超导薄膜前后的电势数据进行标准化处理,就是将击穿前后的电势数据处于同一个数据级别上,对其进行无差异分析,常用的标准化处理方法为:最大值最小值标准化是将激光诱导击穿超导薄膜前后的最大电势与最小电势做差13,将得到的电势数据映射到0,1区间上,标准化处理公式为UMEV=U-UminUmax-Umin(1)上式中,Umax表示激光诱导击穿超导薄膜前后的最大电势,Umin表示激光诱导击穿超导薄膜前后的最小电势,U 为实验获取的电势值。对实验数据的处理还可以使用 z-score 标准化法,该方法是以激光诱导击穿超导薄膜前后的电势数据均值和标准差作为原始数据的参量14,计算公式为z=Ux-(2)其中,Ux表示激光诱导击穿超导薄膜的电势,表示电势数据的平均值,
