楊大鵬1) 李蘇宇2)3) 姜遠飛2)3) 陳安民2)3)? 金明星2)3)?

1)(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,地球信息探測儀器教育部重點實驗室,長春 130012)

2)(吉林大學(xué)原子與分子物理研究所,長春130012)

3)(吉林省應(yīng)用原子分子光譜重點實驗室,長春130012)

飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu等離子體的溫度和電子密度?

楊大鵬1) 李蘇宇2)3) 姜遠飛2)3) 陳安民2)3)? 金明星2)3)?

1)(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,地球信息探測儀器教育部重點實驗室,長春 130012)

2)(吉林大學(xué)原子與分子物理研究所,長春130012)

3)(吉林省應(yīng)用原子分子光譜重點實驗室,長春130012)

研究了飛秒激光成絲誘導(dǎo)銅擊穿光譜,利用光發(fā)射光譜對產(chǎn)生的銅等離子體光譜強度沿著絲長度進行了測量,獲得了在不同樣品與聚焦透鏡間距離的Cu(I)的強度分布.結(jié)果顯示,由于強度鉗箍效應(yīng)成絲誘導(dǎo)的光譜在較大的透鏡樣品間距離范圍內(nèi)有較強的輻射強度.另外,利用玻爾茲曼圖和斯塔克展寬計算了整個成絲繁衍距離中Cu等離子體溫度和電子密度.

激光誘導(dǎo)擊穿光譜,飛秒激光成絲,等離子體溫度,電子密度

1 引言

在過去的20年里,激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)被認(rèn)為是一種強有力的元素分析技術(shù),受到人們越來越多的關(guān)注[1].這種方法的特點是樣品處理簡單,分析速度快;需要樣品量小,近似無損分析;配合光纖技術(shù)應(yīng)用,可實現(xiàn)遠距離遙測;特別是在難溶物質(zhì)分析方面也顯示了此方法的優(yōu)越性.世界著名的分析光譜專家Winefordner博士[2]在他的一篇綜述論文中將激光誘導(dǎo)擊穿光譜稱為“未來超級巨星”.激光等離子體光譜分析方法具有高檢測靈敏度、可實現(xiàn)在線檢測、能夠進行物質(zhì)的快速定性定量分析等優(yōu)點,已經(jīng)在許多研究領(lǐng)域得到了證實,如土壤分析、冶金和采礦工業(yè)、珍藏藝術(shù)品、陶瓷制品分析、組織器官分析和制藥行業(yè)[3]等.近年來,激光誘導(dǎo)擊穿光譜學(xué)(LIBS)和激光誘導(dǎo)等離子體光譜學(xué)(LIPS)等光譜技術(shù)所適用的樣品范圍越來越廣,不僅對固體樣品,對氣體和液體樣品中物質(zhì)成分的分析也取得了可喜成果[4,5].

LIBS可以遠程操作是其中的一個重要的特點,這一特性加大了這項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域.當(dāng)待測試樣品處于難以到達的危險區(qū)域時,必須進行遠程操作,例如特殊地質(zhì)的礦物分析、化學(xué)或核污染的工業(yè)或城市區(qū)域、大廈表面的污染物探測[6]等.傳統(tǒng)的方法是用納秒脈沖激光通過透鏡聚焦到一個較長的距離去激發(fā)樣品,根據(jù)光學(xué)定律,由于衍射的結(jié)果,聚焦的直徑隨著距離的增加而逐漸增大.隨著距離的增加將需要極高的激光能量和很大焦距的聚焦透鏡,這在實際應(yīng)用中令人望而卻步.因此在很長距離采用高激光能量密度和超越衍射極限的LIBS是遠程元素分析的一個重要的難點[7].

基于光學(xué)克爾效應(yīng)的飛秒激光成絲是一個非常有趣的現(xiàn)象,可以應(yīng)用到遠程探測中[8].超快激光傳播過程中產(chǎn)生的長絲是非常窄的光束,激光光束的束腰在整個繁衍距離中幾乎接近一個恒定的值,遠超過瑞利長度.飛秒激光成絲已經(jīng)被應(yīng)用到許多領(lǐng)域,包括大氣氣體和氣溶膠的遙感、閃電控制、激光誘導(dǎo)光譜、相干反斯托克斯拉曼散射和太赫茲輻射的產(chǎn)生[9].Durand等[10]在2013年已經(jīng)演示了成絲的距離到達了1 km.相比于納秒LIBS,飛秒激光成絲后的激光能量密度(1013W/cm2)在很長的距離位置足以燒蝕并激發(fā)樣品,這就克服了納秒激光的衍射極限的影響[11,12].

雖然已有很多針對飛秒激光幾何聚焦和成絲的LIBS的研究[13?16],但飛秒成絲誘導(dǎo)光譜的特性并不完全清楚.例如,幾乎沒有針對整個成絲距離范圍內(nèi)等離子體激發(fā)溫度和電子密度變化的研究.本文演示了飛秒激光成絲誘導(dǎo)銅等離子體光譜,并通過譜線強度和譜線寬度計算了成絲激發(fā)等離子體的溫度和電子密度.

2 實驗裝置

飛秒脈沖激光成絲誘導(dǎo)等離子體光譜實驗裝置如圖1所示.使用的飛秒激光系統(tǒng)是一臺一體化的Ti:sapphire放大器(Coherent Libra),激光系統(tǒng)輸出的激光波長為800 nm,重復(fù)頻率為1 kHz,脈沖寬度為50 fs.一個焦距為1 m的石英透鏡被用來聚焦激光產(chǎn)生等離子體的絲狀通道,同時這個聚焦透鏡被安裝到一個計算機控制的電動位移臺來改變透鏡與樣品表面之間的距離.飛秒激光成絲作用于Cu(99.9%)靶產(chǎn)生等離子體,銅靶被安裝在另一個計算機控制的三維位移臺(Thorlabs,PT3/M-Z8),這個位移臺保證每個激光脈沖照射前樣品表面是新的.成絲誘導(dǎo)的等離子體光譜用一個透鏡(BK7,焦距為75 mm)進行收集,收集到的光通過光纖導(dǎo)入到一臺光譜儀(Spectra Pro 500,PI Acton),光譜儀的光柵為150,1200和2400 grooves/mm.通過光譜儀散射的光譜用一個ICCD(PI-MAX4,Princeton Instruments,1024×1024 pixels)相機進行探測,ICCD的同步信號來自于飛秒激光系統(tǒng)的同步與延遲發(fā)生器(SDG).ICCD的輸出數(shù)據(jù)通過一臺計算機進行記錄.整個實驗過程在大氣壓的環(huán)境中進行.

圖1 飛秒激光成絲誘導(dǎo)銅等離子體光譜測量實驗裝置示意圖Fig.1.Experimental setup for femtosecond fi lamentinduced Cu plasma spectroscopy.

3 結(jié)果與討論

在整個實驗過程中,激光能量為3.5 mJ.我們首先選用150 grooves/mm的光柵對產(chǎn)生的等離子體光譜進行探測,觀察到的譜線是Cu(I)的510.55,515.32和521.82 nm,隨后,我們選擇1200 grooves/mm的光柵來提高光譜的分辨率.另外,為了避免連續(xù)譜和提高光譜的信噪比,ICCD的延遲時間設(shè)置為700 ns,門寬設(shè)置為10μs.典型的成絲誘導(dǎo)的銅等離子體發(fā)射光譜如圖2所示,沿著等離子體通道樣品與透鏡之間的距離分別為970,1000和1030 mm,測量的波長范圍是505—525 nm.圖中有一凹陷,這是ICCD在此處有壞點,測量的光譜也避開了這個位置.在納秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜里,可很容易地觀察到較強的離子譜線,而在大多飛秒誘導(dǎo)擊穿的光譜里,通常觀察到的僅僅是原子譜線.這是由于飛秒激光脈沖持續(xù)時間短,幾乎不存在激光與等離子體的相互作用[17].

圖3給出了飛秒激光成絲誘導(dǎo)銅等離子體光譜隨著聚焦透鏡與樣品表面距離和波長的分布.可以看出成絲誘導(dǎo)的等離子體光譜在960—1035 nm范圍內(nèi)都有較強的光譜發(fā)射強度,能產(chǎn)生較強的等離子體光譜的長度范圍大約為75 mm.這個距離能有效地減小樣品表面與透鏡間距離對光譜發(fā)射強度的影響.為了詳細地了解光譜強度分布,圖4顯示了成絲誘導(dǎo)等離子體光譜中Cu(I)510.55 nm的強度隨著透鏡與樣品距離的變化關(guān)系.從圖中可以看出,光譜強度隨著距離的增加而逐漸增加.在大約990 mm處,成絲誘導(dǎo)的等離子體光譜強度達到最大值.繼續(xù)增加透鏡與樣品的距離,光譜強度逐漸降低.而在1005—1015 mm的范圍內(nèi),光譜強度的變化出現(xiàn)了一個臺階,這是由于飛秒激光成絲再聚焦的結(jié)果.這不同于傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)等離子體的光譜強度的隨著透鏡與樣品表面距離的變化,傳統(tǒng)短焦距的結(jié)果一般在透鏡焦點位置左右兩邊有對稱的輻射強度分布.

圖2 典型的不同透鏡與樣品表面距離的飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu擊穿光譜波長范圍為505—525 nm,激光能量為3.5 mJFig.2.Typical femtosecond fi lament-induced Cu plasma spectroscopy at di ff erent distances between lens and sample.Range of wavelength is 505–525 nm,laser energy is 3.5 mJ.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu擊穿光譜隨著透鏡樣品距離和波長的分布波長范圍為505—525 nm,距離為950—1050 mm,激光能量為3.5 mJFig.3.(color online)Distribution of femtosecond fi lamentinduced Cu plasma spectroscopy with wavelength and distance between lens and sample.Range of wavelength is 505–525 nm,distance is from 950 to 1050 mm,laser energy is 3.5 mJ.

圖4飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu擊穿光譜中Cu(I)510.55 nm譜線隨著透鏡樣品距離變化(距離為950—1050 mm,激光能量為3.5 mJ)Fig.4.Evolution of spectral intensity of Cu(I)510.55 nm with the distance between lens and sample.Distance is from 950 to 1050 mm,laser energy is 3.5 mJ.

圖5 顯示了Cu(I)510.55 nm的信背比隨著透鏡與樣品表面距離的變化,信背比的計算來自于圖3,信背比的計算是線狀光譜的強度與背景連續(xù)譜(基線)的比值.信背比的變化類似于光譜強度的變化,信背比隨著距離的增加而增加,在大約990 mm處達到了最大值.繼續(xù)增加透鏡與樣品表面的距離,信背比降低,在1005—1015 mm的范圍時,光譜強度的變化出現(xiàn)了一個臺階,而后有一個拖尾狀的變化.圖4和圖5的變化符合飛秒激光誘導(dǎo)空氣成絲的熒光強度沿著絲通道的分布.

圖5 飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu擊穿光譜中Cu(I)510.55 nm譜線信背比(SBR)隨著透鏡樣品距離變化(距離為950—1050 mm,激光能量為3.5 mJ)Fig.5.Evolution of signal-to-background ratio(SBR)of Cu(I)510.55 nm with the distance between lens and sample.Distance is from 950 to 1050 mm,laser energy is 3.5 mJ.

等離子體激發(fā)溫度和電子密度是等離子體中兩個重要的參數(shù),這兩個參數(shù)能幫助我們理解等離子體的特點和許多等離子體中的過程.討論等離子體溫度必須假定等離子體處在局域熱平衡(LTE)的條件下,用于計算等離子體激發(fā)溫度方程如下[18]:

這里,λ是光譜的波長,I是光譜強度,Aki是躍遷強度,gk和Ek是上能級的簡并與能量,kB是玻爾茲曼常數(shù),T是等離子體溫度,C是常數(shù).

通過方程(1)中的左邊ln(λI/(gkAki))與上能級能量Ek給出了線性擬合圖,等離子體的激發(fā)溫度T可以從直線的斜率(?1/(kBT))獲得.在當(dāng)前的實驗中,用光譜線Cu(I)510.55 nm,Cu(I)515.32 nm,Cu(I)521.82 nm來計算等離子體的激發(fā)溫度T,相應(yīng)的光譜線參數(shù)如表1所列,所有的譜線參數(shù)數(shù)據(jù)來源于NIST.

典型的不同透鏡與樣品距離的玻爾茲曼圖如圖6所示,選擇的典型透鏡樣品距離分別為970,990,1010和1030 mm.從圖6(a)—(d)可以看出誤差是比較低的,不同位置的斜率不同.同時,由于Cu(I)515.32 nm和Cu(I)521.82 nm有非常接近的上能級能量,得到相應(yīng)的ln(λI/gkAki)值也幾乎重合,這說明了誤差較低.根據(jù)公式(?1/(kBT))和圖6中玻爾茲曼圖的斜率,我們就能得到等離子體的溫度.

表1 Cu(I)的光譜參數(shù)表[19]Table 1.Sepctral parameters of Cu(I)[19].

圖6 飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu擊穿光譜典型的Boltzmann圖選擇的典型透鏡樣品距離分別為(a)970 mm,(b)990 mm,(c)1010 mm和(d)1030 mmFig.6.Typical Boltzmann plot for femtosecond fi lament-induced Cu plasma spectroscopy:Selected distances between lens and sample are 970 mm(a),990 mm(b),1010 mm(c),and 1030 mm(d).

電子密度是等離子體中的另一個重要參數(shù),等離子體電子密度根據(jù)光譜線的半高全寬?λ1/2來進行計算,方程如下[20]:這里,?λ1/2是譜線的半高全寬,即斯塔克加寬,Ne是電子密度,ω是電子碰撞參數(shù).另外,等離子體譜線加寬主要還有:多普勒加寬儀器加寬?λinstrument和自然展寬?λNFWHM,即?λ1/2=?λobserved??λDFWHM??λNFWHM??λinstrument.當(dāng)前,我們用Cu(I)510.55 nm譜線來計算電子密度,波長510.55 nm的ω值為0.043 nm[21].

圖7顯示了四個典型的不同透鏡與樣品間距離的成絲誘導(dǎo)等離子體光譜線中Cu(I)510.55 nm的Lorentz擬合結(jié)果.選擇的透鏡樣品間距離分別為970,990,1010和1030 mm.在激光產(chǎn)生的等離子體里,光譜線的展寬主要來源于碰撞展寬,典型的譜線碰撞展寬用Lorentz線型進行描述.可以看出,不同位置的譜線寬度明顯不同,也就說明了各個位置的電子密度也完全不同.

圖7 飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu擊穿光譜典型的Lorentz擬合圖選擇的典型透鏡樣品距離分別為(a)970 mm,(b)990 mm,(c)1010 mm和(d)1030 mm;波長為510.55 nmFig.7.Typical Lorentz fi tting for femtosecond fi lament-induced Cu plasma spectroscopy:Selected distances between lens and sample are 970 mm(a),990 mm(b),1010 mm(c),and 1030 mm(d);spectral line is Cu(I)510.55 nm.

為了詳細地了解飛秒成絲誘導(dǎo)等離子體激發(fā)溫度和電子密度隨著透鏡與樣品表面間距離的變化,我們給出了圖8.對于等離子體激發(fā)溫度,隨著距離的增加等離子體溫度逐漸增加,在大約992 mm處等離子體溫度達到了一個極大值.距離繼續(xù)增加,溫度先減小而后又增加到一個極大值.之后等離子體溫度逐漸降低.對比圖4可以看出,等離子體激發(fā)溫度反映了飛秒激光的成絲過程,也就是聚焦-散焦-再聚焦的結(jié)果,顯然激光聚焦越強的位置等離子體溫度越高.另外從圖8中結(jié)合等離子體溫度和電子密度,等離子體激發(fā)溫度和電子密度沿著絲通道的變化可以分為三個區(qū)域:1)在950—970 mm,等離子體激發(fā)溫度和電子密度隨著距離的增加而逐漸增加;2)在970—1030 mm范圍內(nèi),等離子體激發(fā)溫度和電子密度有著相反的變化;3)1030—1050 mm范圍內(nèi),等離子體激發(fā)溫度和電子密度隨著距離的增加而逐漸減小.在第一階段,主要是幾何聚焦過程,隨著距離增加光斑面積逐漸減小,激光能量密度增加,使得激發(fā)產(chǎn)生的等離子體強度、溫度和密度增加.在第二階段,飛秒激光成絲過程中,由于等離子體絲狀通道的形成,會影響等離子體羽的動力學(xué)變化,強聚焦會比弱聚焦后形成電離度更高的等離子體通道,這個強的電離通道由于等離子體的減阻效應(yīng)而降低了等離子體膨脹的阻力[22],因此,等離子體羽會膨脹得更大,這使得電子密度降低了,這也反映了飛秒成絲中激光的橫截面積的變化.在第三階段,由于空氣的電離消耗了很多激光的能量,這樣不足以使得飛秒激光再聚焦,此階段主要是激光散焦階段,因此,激光光斑面積逐漸增大,激光能量密度逐漸降低,使得產(chǎn)生的等離子體逐漸變?nèi)?

圖8 (網(wǎng)刊彩色)飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu擊穿光譜的等離子體溫度和電子密度隨著透鏡樣品距離變化(距離為950—1050 mm,激光能量為3.5 mJ)Fig.8.(color online)Plasma temperature and electron density with the distance between lens and sample for femtosecond fi lament-induced Cu plasma spectroscopy.Distance is from 950 to 1050 mm,laser energy is 3.5 mJ.

4 結(jié)論

研究了飛秒激光成絲誘導(dǎo)Cu等離子體光譜,由于光學(xué)克爾效應(yīng)成絲誘導(dǎo)的光譜在較大范圍內(nèi)有較強的輻射強度.同時,利用玻爾茲曼圖和斯塔克展寬計算了整個成絲繁衍距離中的等離子體溫度和電子密度.結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿著絲通道產(chǎn)生的Cu等離子體的溫度和電子密度在自聚焦與自散焦階段有相反的變化關(guān)系,較強的自聚焦位置等離子體溫度有極大值,而電子密度出現(xiàn)極小值.這源于自聚焦與散焦過程中產(chǎn)生等離子體絲狀通道中電離度的不同,進而影響等離子體羽的動力學(xué)的變化.

[1]Miziolek A W,Palleschi V,Schechter I 1997 Crit.Rev.Anal.Chem.27 257

[2]Winefordner J D,Gornushkin I B,Correll T,Gibb E,Smith B W,Omenetto N 2004 J.Anal.Atom.Spectrom.19 1061

[3]Lu C P,Liu W Q,Zhao N J,Liu L T,Chen D,Zhang Y J,Liu J G 2011 Acta Phys.Sin.60 045206(in Chinese)[魯翠萍,劉文清,趙南京,劉力拓,陳東,張玉鈞,劉建國2011物理學(xué)報60 045206]

[4]Fortes F J,Moros J,Lucena P,Cabalín L M,Laserna J J 2013 Anal.Chem.85 640

[5]Wu Y Q,Liu J,Mo X X,Sun T,Liu M H 2017 Acta Phys.Sin.66 054206(in Chinese)[吳宜青,劉津,莫欣欣,孫通,劉木華2017物理學(xué)報66 054206]

[6]Rohwetter P,Stelmaszczyk K,Woste L,Ackermann R,Méjean G,Salmon E,Kasparianb J,Yub J,Wolf J P 2005 Spectrochim.Acta B 60 1025

[7]Xu H L,Bernhardt J,Mathieu P,Roy G,Chin S L 2007 J.Appl.Phys.101 033124

[8]Li S Y,Guo F M,Song Y,Chen A M,Yang Y J,Jin M X 2014 Phys.Rev.A 89 3732

[9]Chin S L 2010 Femtosecond Laser Filamentation(New York:Springer)

[10]Durand M,Houard A,Prade B,Mysyrowicz A,Durecu A,Moreau B,Fleury D,Vasseur O,Borchert H,Diener K 2013 Opt.Express 21 26836

[11]Xu S,Bernhardt J,Shari fiM,Liu W,Chin S L 2012 Laser Phys.22 195

[12]Xu S,Zheng Y,Liu Y,Liu W 2010 Laser Phys.20 1968

[13]Harilal S S,Yeak J,Brum fi eld B E,Phillips M C 2016 Opt.Express 24 17941

[14]Stelmaszczyk K,Rohwetter P,Mejean G,Yu J,Salmon E,Kasparian J,Ackermann R,Wolf J P,Woste L 2004 Appl.Phys.Lett.85 3977

[15]Gao X,Du C,Li C,Liu L,Song C,Hao Z Q,Lin J Q 2014 Acta Phys.Sin.63 095203(in Chinese)[高勛,杜闖,李丞,劉潞,宋超,郝作強,林景全2014物理學(xué)報63 095203]

[16]Zhang Y W,Gao X,Zhang Y,Song C,Lin J Q 2015 Acta Phys.Sin.64 175203(in Chinese)[張亞維,高勛,張原,宋超,林景全2015物理學(xué)報64 175203]

[17]Labutin T A,Lednev V N,Ilyin A A,Popov A M 2015 J.Anal.Atom.Spectrom.30 90

[18]Chen A,Jiang Y,Wang T,Shao J,Jin M 2015 Phys.Plasmas 22 033301

[19]Atomic Spectral Database http://physicsnistgov/Phys-RefData/ASD/lines_formhtml

[20]Wang Y,Chen A,Li S,Sui L,Liu D,Tian D,Jiang Y,Jin M 2016 J.Anal.Atom.Spectrom.31 497

[21]Wiese W L,Fuhr J R,Lesage A,Konjevic,N 2002 J.Phys.Chem.Ref.Data 31 819

[22]Fu N,Xu D G,Zhang G Z,Yao J Q 2015 Chin.J.Lasers 42 0202003(in Chinese)[付寧,徐德剛,張貴忠,姚建銓2015中國激光42 0202003]

PACS:52.50.Lp,52.38.Mf,32.30.Jc,42.62.FiDOI:10.7498/aps.66.115201

Temperature and electron density in femtosecond fi lament-induced Cu plasma?

Yang Da-Peng1)Li Su-Yu2)3)Jiang Yuan-Fei2)3)Chen An-Min2)3)?Jin Ming-Xing2)3)?
1)(Key Laboratory of Geo-exploration Instrumentation Ministry of Education,College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China)
2)(Institute of Atomic and Molecular Physics,Jilin University,Changchun 130012,China)
3)(Jilin Provincial Key Laboratory of Applied Atomic and Molecular Spectroscopy(Jilin University),Changchun 130012,China)

22 February 2017;revised manuscript

5 April 2017)

Laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS),which is also known as laser-induced plasma spectroscopy(LIPS),is a very promising spectral analysis technique for detecting elemental composition.The possibility of remote operation of LIBS is one of the properties,which expands the application scope of this technique.The remote LIBS technique is based on a long-range lens.With the increase of focusing distance,it is difficult to tightly focus laser pulse due to the di ff raction limits.The size of focusing spot increases with focusing distance increasing.This will require extremely high laser energy.Femtosecond laser fi lamentation due to optical Kerr e ff ect can be applied to the remote LIBS.During the fi lament propagation,the waist of laser beam is close to a constant value.The laser intensity inside the fi lament is about 1013W/cm2(intensity clamping).The intensity is sufficient to ablate sample and produce the plasma.It can overcome the in fl uence of the di ff raction limit in nanosecond LIBS.Although many researchers have studied the femtosecond geometrical focusing and femtosecond fi lamentation LIBSs,the spectral characteristics have not been completely understood.In this paper,we study the femtosecond laser fi lament-induced Cu plasma spectroscopy.Femtosecond laser system is an ultrafast Ti:sapphire ampli fi er(Coherent Libra).The full-width at the half maximum is 50 fs at a wavelength of 800 nm with a repetition rate of 1 kHz and its output energy is 3.5 mJ.A quartz lens with a focal length of 1 m is used to focus the laser to generate a fi lament channel.The spectral intensity of produced Cu plasma along the fi lament channel is measured by using the optical emission spectroscopy,and the distribution of Cu(I)intensity versus the distance between sample and focused lens is obtained.The results indicate that in a longer distance range along the fi lament,plasma spectroscopy has stronger emission due to the intensity clamping e ff ect in femtosecond laser fi lamentation.In addition,we also calculate the plasma temperature and electron density by using the Boltzmann plot and the Stark broadening.The plasma temperature and electron density along the fi lament channel can be divided into three main regions:region 1)from 950 mm to 970 mm,in which the plasma temperature and electron density increase with the increase of distance;region 2)from 970 mm to 1030 mm,in which the change of plasma excitation temperature is opposite to the change of electron density;region 3)from 1030 mm to 1050 mm,in which the plasma temperature and electron density decrease with the increase of distance.

laser-induced breakdown spectroscopy,femtosecond laser fi lament,plasma temperature,electron density

10.7498/aps.66.115201

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:11674128,11474129,11504129)、吉林省科技發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號:20170101063JC)和吉林省教育廳“十三五”科學(xué)研究規(guī)劃項目(批準(zhǔn)號:2016[400])資助的課題.

?通信作者.E-mail:amchen@jlu.edu.cn

?通信作者.E-mail:mxjin@jlu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11674128,11474129,11504129),the Jilin Province Scienti fi c and Technological Development Program,China(Grant No.20170101063JC),and the Thirteenth Five-Year Scienti fi c and Technological Research Project of the Education Department of Jilin Province,China(Grant No.2016[400]).

?Corresponding author.E-mail:amchen@jlu.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:mxjin@jlu.edu.cn