激光与物质相互作用一直是人们非常感兴趣的课题。自1960年美国物理学家梅曼(T. H. Maiman)成功研制出第一台红宝石激光器起,激光技术的发展就表现出强大的生命力,几乎渗透到自然科学研究的各个领域。其中“激光与物质相互作用”的研究成果是激光技术发展的一个重要标志。激光与物质相互作用是物理学最重要的研究课题之一,它不仅在理论研究领域受到人们的普遍关注,而且在激光加工、材料制备以及军事武器的制备等实际应用中已经得到了广泛应用。近几年超短超强激光科学的快速发展为人类提供了前所未有的功率密度(> 1020 W/cm2)、电场强度(> 1011 V/cm)和时间精度(10-15 s)等非常极端的实验条件,为许多科学的创新性研究和重大突破提供了极其重要的平台并产生了革命性的影响。硅是微电子器件的主要材料,但是硅是间接带隙材料,发光效率很低,人们一直希望将光电子器件与硅基微电子技术联系起来。虽然III-V族半导体材料,如GaAs等更适于光电子器件,但是由于现存的非常成熟的硅基材料,所以人们很希望能以硅基材料来制备光电子器件,实现硅基光电集成。近年来,对纳米硅材料特别是一维纳米硅材料的研究已成为国际半导体材料和纳米领域研究的热点。当功率密度足够高的脉冲激光辐照到Si靶的表面时,靶材会在几纳秒的时间内熔化、蒸发乃至电离,产生高温高密度的等离子体。溅射物中包含有电子、离子、原子、分子和团簇等,由它们携带着一定的质量和能量,可以在靶对面的基底上沉积而形成薄膜,这就是脉冲激光沉积(PLD)制膜技术。目前PLD技术已成为一种人们广泛采用的制膜技术,其中氧化物、氮化物、高温超导等物质的高质量薄膜已经被制备出来。为了更好的控制薄膜的生长过程,找到最佳的实验条件,以得到高质量Si薄膜,对于沉积过程中等离子体的特性进行深入地研究是非常必要的。然而,关于Si激光等离子体的一些基本参量,如电子密度、电子温度、等离子体中各成分的飞行速度等,研究得却非常少。事实上,等离子体的这些参量不仅在理论上有助于更好的理解激光与物质的相互作用过程,而且对PLD制膜的最佳条件的确定起到相当有益的启发。本文主要对Si等离子体进行了光谱诊断,获得了有关原子和离子的时间分辨谱及时间飞行谱,测量了等离子体的电子密度、温度及等离子体羽的速度,并与理论计算进行了比较分析;结合实验结果,对等离子体发射谱的时间演化特性和产生机制进行了详细的研究,并对等离子体光谱的频移进行了定性的分析。在研究过程中,发现了一些新现象,并对其作出了解释。概括起来,本论文研究的主要内容和结果如下:(1)研究了Si激光等离子体辐射机制及光谱随时间的演化特性。连续谱的短波带强度随延迟时间下降的速度比长波带快得多,这是由于连续光谱的发射机制是轫致辐射和复合辐射综合的结果。在温度较高时轫致辐射占主导地位,在温度较低时复合辐射起主要作用。激光等离子体的消失过程并不仅仅是一个能量耗散的过程,而存在着能量的交换,即对另一些原子的再激发;线状谱的发射机制主要是碰撞激发,特别是高能电子的碰撞激发。大气环境中激光辐照Si靶时,在激光功率密度小于空气击穿阈值时也发生了空气的电离,其主要原因是激光辐照Si靶时产生的初始电子引发了雪崩电离过程。我们认为初始电子的主要来源是激光辐照区内的电子热发射。(2)由实验所采集的光谱的时间演化谱可以看出,高压下的连续谱强度比低压下的大且持续时间长,这是由于被电离的背景气体对电子密度的贡献以及背景气体的束缚作用。首次发现了在等离子体产生后的前20ns内,连续谱迅速增大,之后逐渐减小。用轫致辐射和复合辐射解释了此现象。(3)首次发现氮离子和硅离子的寿命相差较大,我们认为这是由于二者的产生机制不同:氮离子主要产生于空气击穿导致的雪崩电离,硅离子产生于激光烧蚀以及激光结束后粒子间的不断碰撞激发。束缚作用、复合速率以及谱线展宽的影响使得在不同的背景气体压强下能观察到的谱线存在较大的差异。我们还发现离子谱线强度的最大值出现的时间决定于连续谱最大强度出现的时间和相应离子激发态的上能级寿命。(4)实验测得连续谱强度、电子密度以及电子温度的最大值发生在距离靶面0.3mm处。(5)由理论分析和对激光等离子体谱线的高斯及洛仑兹拟合可知,激光等离子体的展宽机制主要是斯塔克展宽。在相同的实验条件下,各条不同波长谱线展宽各不相同,但展宽值之比在整个实验过程中几乎保持不变。利用等离子体对发射原子或离子的屏蔽效应,对实验中观察到的发射谱线的频移进行了合理的解释。随着电子密度的增大,特征谱线的红移量增大。(6)利用时间飞行谱测得了等离子体羽的膨胀速度,在1大气压下速度的数量级为1. 0×103 m/s,随时间下降很快;在3Pa下速度的数量级为1. 0×104 m/s,随时间下降较慢;等离子体的速度受背景气压的影响很大,相对来说激光能量的影响小一些。对等离子体的飞行速度进行了理论模拟,但由于我们的实验是在3 Pa气压下做的,而理论模拟是在真空环境中,所以理论值与实验值符合的不是很好。