放电等离子体高精度空间分辨光谱测量方法

放电等离子体光谱技术及激光诱导击穿光谱技术由于实验系统相对简单、信号强,很早就被应用于组分测量领域。由于自由放电在时间和空间上都具有随机性,这使得放电等离子体空间分辨光谱的精确测量变得十分困难;而激光诱导击穿光谱技术又局限于点测量。介绍了一种基于飞秒激光诱导的放电等离子体一维空间分辨光谱的高精度测量方法。飞秒激光自聚焦可以形成一段丝状弱等离子体通道,将该等离子体通道靠近高压直流脉冲电极时,可作为高压电极放电的触发源。这种触发方式可在规定的时刻触发高压电并诱导其沿着等离子体通道的路径击穿气体。实验多次测量放电开始时刻与激光到达时刻的时间间隔的波动小于0.01μs,证实了使用本方法诱导高压放电具有很高的重复性。由此可知,利用飞秒激光自聚焦成丝产生的弱等离子体通道诱导高压放电,可实现对高压放电的空间和时间的精确控制,进而可以采集放电等离子体通道的一维空间分辨光谱。实验结果表明,在喷管结构主导的流场环境中,由于喷管中纯N_2与喷管外空气的组分不同,在高空间分辨光谱中,可以清晰地看到一维等离子体通道上不同位置的组分浓度变化情况。在一维空间分辨光谱中将N~+和O光谱信号强度与N_2和O_2的浓度进行关联,可实现流场组分的一维在线诊断。该方法不仅具有纳秒激光诱导击穿光谱技术的相同优点,还具有一维空间分辨能力,在组分一维精确测量方面极具优势。同时,该方法还有望实现高时间分辨测量,对研究放电等离子体的时空演化过程具有重要的意义。     

空气中激光等离子体通道导电性能的研究

超强飞秒激光在大气中传输时，可以形成很长的等离子体通道.对通道电阻率和测量电极与等离子体通道间的接触电阻进行了测量，并对影响等离子体通道电阻率的主要因素进行了研究分析.提出减小等离子体通道电阻的方案. 关键词： 等离子体通道 电阻率 接触电阻     

基于飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱探测土壤重金属Cr元素含量

本文基于飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱对土壤重金属Cr元素含量进行了实验研究.利用荧光法对等离子体丝的长度进行测量,给出了在不同焦距聚焦透镜作用下土壤中Cr425.5 nm的谱线强度空间分布,实验给出了Cr元素的定标曲线.实验结果表明,土壤中Cr元素浓度分析测量的相对标准偏差小于5%,土壤中重金属Cr元素的检测极限为7.85 ppm.表明飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱技术在土壤重金属Cr元素含量的定量探测方面是完全可行的.     

平顶飞秒激光经圆锥透镜在熔融石英中成丝及超连续辐射

实验研究了平顶飞秒激光经圆锥透镜后在熔融石英中的成丝及超连续辐射.与高斯飞秒激光的成丝对比发现,平顶飞秒激光可以获得在圆锥透镜焦深区域内强度分布更为均匀的等离子体细丝,这一特征更有利于飞秒激光在固体介质中进行微纳加工等领域的应用.并且,在不损伤熔融石英的条件下,平顶飞秒激光成丝可以获得更高能量、更高转换效率的超连续辐射,这是因为若产生光强相近的细丝,平顶飞秒激光所需的初始激光能量更高,此激光能量下产生的细丝长度更长、均匀性更好.     

飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性

由于飞秒激光脉冲宽度小于靶材电子—晶格热弛豫时间,飞秒激光烧蚀靶材过程以及诱导击穿产生的等离子体膨胀动力学过程与纳秒激光作用过程不同,因此研究飞秒激光诱导等离子体发射光谱特性对于研究飞秒激光烧蚀机制以及飞秒激光诱导等离子体的膨胀动力学过程非常重要。Ge材料是一种常用的中远红外探测器以及光学元器件材料,对中心波长为800 nm,脉宽为50 fs的激光脉冲烧蚀空气中Ge靶材产生的等离子体发射光谱强度的时间和空间演化规律研究,并探讨了飞秒激光脉冲能量对等离子体发射光谱强度的影响规律。实验结果表明在等离子体羽膨胀初期,飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱主要由线状光谱和连续光谱构成,在200 ns时间内连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位。通过探测Ge等离子体的时间分辨发射光谱,随着等离子体的快速膨胀,等离子体发射光谱强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化,在335 ns达到最大。通过探测Ge等离子体的空间分辨发射光谱,随着距离Ge靶材表面的位置增加,等离子体发射光谱强度随远离Ge靶材表面距离增加呈现先增加后下降变化,在0.8 mm位置达到最大。由于存在等离子体自吸收机制,等离子体发射光谱...     

飞秒激光诱导微结构中飞秒时间分辨等离子体的时空动力学过程(特邀)

利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术研究了不同数值孔径显微物镜聚焦的单脉冲飞秒激光诱导熔融石英微结构中等离子体的瞬态时间-空间演化特性及瞬态电子密度空间分布与激光诱导微结构的联系。实验结果表明显微物镜聚焦的飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度随延时的增加先增大后逐渐减小。当显微物镜的数值孔径为0.45时,飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加变化不大,基本都在非线性焦点处,激光在样品中诱导的微结构是点状的;当显微物镜的数值孔径为0.3时,飞秒激光在样品中诱导瞬态峰值电子密度的空间位置随延时的增加逐渐向样品内部移动,激光诱导的微结构是长条状的。此外,不同数值孔径显微物镜聚焦飞秒激光在样品中诱导最大瞬态电子密度的空间位置与激光诱导微结构的位置一致,这说明飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像可用于超快激光微加工过程的在线检测,可为超快激光诱导材料微结构的定向调控及加工参数优化提供参考。     

激光啁啾对激光等离子体细丝传输的影响

对不同啁啾状态下的飞秒激光在大气中的成丝过程进行了研究.实验研究发现成丝状况及其演化与初始激光脉冲的啁啾状态密切相关，适当的负啁啾有利于激光的成丝传输.当初始激光脉冲的啁啾量不断变大时，激光脉冲在大气中的成丝起点位置会逐渐变远.还研究了初始脉冲啁啾量对使用聚焦透镜产生的细丝的影响，发现其与自由传输情况具有相似的变化规律. 关键词： 飞秒激光等离子体通道 脉冲啁啾     

空气中激光等离子体通道的荧光探测和声学诊断两种方法的比较实验研究

使用荧光探测和声学诊断两种方法，对超强飞秒激光脉冲在空气中传输形成的等离子体通道同时进行了测量.两种方法都很好地反映了等离子体通道的演化过程.对两种方法的比较研究发现，声学诊断相对于荧光探测方法来说，具有较高的灵敏度和空间分辨能力，实验装置也更简单，更适宜于等离子体通道的常规测量. 关键词： 强飞秒激光等离子体通道 荧光探测 声学诊断     

基于四瓣高斯飞秒激光的多丝阵列产生与调控EI北大核心CSCD

基于亥姆霍兹波动方程和非线性传输波动方程,模拟了四瓣高斯飞秒激光在空气中线性传输和非线性传输的光强空间分布,以期获得规则的多丝阵列稳定传输。研究结果表明,当初始入射激光功率相对较强时,基于四瓣高斯飞秒激光光束可获得规则的多丝阵列产生。通过改变初始束腰半径和光束阶数,实现对光丝阵列间距的调控。光丝阵列间距大于背景能量池尺寸时,光丝阵列将稳定传输且间距保持不变;小于背景能量池尺寸时,多丝相互融合进而形成稳定的单丝。当初始入射激光功率相对较弱且大于自聚焦阈值功率时,将会出现多次自聚焦现象,最终形成稳定的单丝传输。该研究提供了一种产生二维规则飞秒激光光丝阵列的方法,将为基于飞秒激光多丝阵列的实际应用,如太赫兹波增强、空气激光增强、遥感探测、微波通道以及微粒捕获等,提供理论依据。     

杨树叶片的飞秒等离子体丝诱导击穿光谱研究

开展了杨树叶片的飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱研究, 定性比较分析了长春市区的第一汽车厂、火车站、净月潭公园及长春理工大学四个地理区域的杨树叶片中重金属元素Ca, Fe和Cr. 实验结果表明, 通过分析杨树叶片中Ca Ⅱ 393.37 nm和Fe Ⅰ 422.87 nm光谱谱线可知叶茎中Ca和Fe元素浓度均高于叶肉. 比较长春四个地理区域的杨树叶的飞秒激光等离子体丝诱导击穿光谱, 发现汽车厂附近的杨树叶内重金属Ca, Fe和Cr 元素浓度最高, 净月公园的杨树叶重金属浓度最低. 由于飞秒激光等离子体丝光强度的“光学钳箍”效应, 对于杨树叶片这种表面不平整样品, 仍可获得稳定性较好的等离子体光谱. 飞秒激光等离子体丝诱导光谱技术有望在环境污染在线检测具有广泛的潜在应用.     

Comparative investigation of the resistance and ability to trigger high voltage discharge for single and multiple femtosecond filaments in air

A comparative investigation of the resistance and ability to trigger high voltage(HV) discharge for a single filament(SF) and multiple filaments(MFs) has been carried out.The experimental results show that the trend of the breakdown threshold of the SF exactly follows that of its resistance,but this is not the case for the MF.The MF’s resistance is much smaller than the SF’s.However,the MF shows a slightly higher HV breakdown threshold than the SF.The underlying physics is that the measured resistance of the MF is collectively contributed by every filament in the MF while the HV breakdown threshold is determined by only one single discharging path.     

Comparative investigation of resistance and ability to trigger high voltage discharge for single and multiple femtosecond filaments in air

A comparative investigation of resistance and ability to trigger high voltage (HV) discharge for single filament (SF) and multiple filaments (MF) has been carried out. The experimental results show that the trend of the breakdown threshold of the SF exactly follows that of its resistance, but this is not the case for the MF. The MF's resistance is much smaller than SF's. However, the MF shows a bit higher HV breakdown threshold than the SF. The underlying physics is that the measured resistance of the MF is collectively contributed by every filament in the MF while the HV breakdown threshold is determined by only one single discharging path.     

The effects of radiation damage on power VDMOS devices with composite SiO2-Si3N4 films

Total dose effects and single event effects on radiation-hardened power vertical double-diffusion metal oxide semiconductor(VDMOS) devices with composite SiO2-Si3N4 film gates are investigated.The relationships among the important electrical parameters of the samples with different thickness SiO2-Si3N4 films,such as threshold voltage,breakdown voltage,and on-state resistance in accumulated dose,are discussed.The total dose experiment results show that the breakdown voltage and the on-state resistance barely change with the accumulated dose.However,the relationships between the threshold voltages of the samples and the accumulated dose are more complex,and not only positively drift,but also negatively drift.At the end of the total dose experiment,we select the group of samples which have the smaller threshold voltage shift to carry out the single event effect studies.We find that the samples with appropriate thickness ratio SiO2-Si3N4 films have a good radiation-hardening ability.This method may be useful in solving both the SEGR and the total dose problems with the composite SiO2-Si3N4 films.     

Current transport in bistable granular structures

Electrical breakdown in GaAs Schottky diodes creates a granular filamentary structure of submicron dimensions between the contacts. The filament exhibits very fast (<2 nsec) electrical switching between stable resistance states. Irrespective of the contact metal, the filament becomes superconducting when in the low-resistance state. Electron transport in all the resistance states is intergrain tunneling between metallic inclusions and is governed by an activation energy. Switching is not based on metal transport.     

激光大气击穿阈值的数值分析

 针对大气中飞行器的等离子体隐身问题,数值计算了ns量级强激光击穿大气的阈值,讨论了一些相关条件对阈值的影响。结果表明：对于ns量级的入射激光,波长越长,大气的击穿阈值越小;气压越大,击穿阈值也越小;气体中存在的初始电子对不易产生光电离的长波长入射激光的击穿阈值,有明显的减少作用,但对短波长入射激光的击穿阈值几乎没有影响;脉宽越宽,激光辐照的时间越长,大气击穿的阈值越小。     

基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究

综合考虑高功率微波强电场作用下的热致快速电子效应、碰撞频率、电离频率等充分体现高功率微波特性的参量模型,基于高功率微波混合大气传输模型,提出了单脉冲高功率微波混合大气统一非线性击穿模型,定义了单脉冲高功率微波击穿阈值.理论研究结果表明:考虑中性气体分子极化作用以及电子的碰撞热效应后,大气击穿时对应的等离子体频率明显变大;大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后增大,在30-60 km区域存在一个极小值.开展了X波段窄带高功率微波单脉冲大气击穿实验研究,得到了典型条件下的高功率微波击穿现象、波形和阈值,且与理论结果一致性较好.     

薄介质膜击穿全过程的探讨

本文提出了一个用于解释介质膜击穿全过程的新模型。在本模型中,整个击穿过程主要包含两个机构,一个是本征型的雪崩击穿,另一个是引起膜的破坏性击穿的丝状热传递。理论分析及有关的实验结果表明,本征击穿的电场强度主要取决于介质膜的带隙宽度及膜的厚度,而丝状热传递主要决定于膜的质量,特别是膜中的缺陷。文中简要讨论了膜的物理性质、工艺及测试条件对击穿的影响。 关键词：     

脉宽对中红外激光带内损伤HgCdTe材料的影响

研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响,使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度,载流子对数目流,载流子对能流,载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明,波长2.85 μm,脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中,300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近,均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现,波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下,10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应,其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。     

Investigation of stimulated Brillouin scattering for broadband KrF laser

Stimulated Brillouin scattering (SBS) numerical mode for broadband multimode KrF laser pump with optical breakdown has been built up in this paper. The basic premises of the model are that KrF spectrum is composed of an umber of lines and SBS arises from these lines with coupling to some extent. The broadband SBS threshold strongly depends on pump bandwidth. SBS and optical breakdown occur nearly simultaneously when broadband SBS and breakdown have the same threshold. The decrease of saturation reflectivity for broadband pump radiation is explained with this model. Experimental results agree well with the model.