纳秒脉冲激光诱导水等离子体屏蔽的实验研究

基于激光阴影法测量原理,建立了一个记录纳秒脉冲激光诱导等离子体屏蔽现象的实验光路系统,探索了一种等离子体屏蔽图像的记录方法,对纳秒脉冲激光诱导水击穿形成等离子体的现象进行了研究.记录了在不同能量状态下出现的激光诱导等离子体屏蔽图像,发现了激光诱导水介质的等离子体屏蔽效应随作用光能量呈增强的趋势,首次观测到了在纳秒脉冲激光作用下液体中出现的线型击穿现象.本文研究结果可为水下激光加工研究、医疗以及激光在液体中的传播特性研究提供实验依据.     

荧光法研究空气等离子体膨胀动力学过程

基于等离子体荧光法研究了Nd∶YAG纳秒1 064 nm激光脉冲诱导击穿空气等离子体的膨胀动力学过程,用ICCD相机捕获了不同激光脉冲能量诱导的空气等离子体随时间演化图像,给出激光能量100,150,200,300 mJ时击穿空气产生的空气等离子体波阵面前沿的膨胀距离,推演出空气等离子体的扩展速度。实验结果表明等离子体发光区域主要分布在等离子体膨胀区域,等离子体荧光强度随时间增加变强然后渐渐变弱,膨胀区域逐渐增大,在300 mJ,22 ns膨胀距离最大达到3.76 mm,等离子体扩展速度在膨胀初期达到105 m·s-1量级,在膨胀16 ns内迅速衰减,随后趋于平缓。激光脉冲能量越大,引起空气击穿的时刻靠近高斯激光脉冲上升阶段。     

激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究

利用调Q的Nd: YAG激光器输出的纳秒激光脉冲诱导等离子体加工石英微通道, 显微镜下观察微通道深度可达4 mm, 通道周围没有发现热裂纹, 围绕通道内壁产生了固化层. 研究了纳秒脉冲下固体材料损伤的电离机理. 波长为1064 nm, 光强不很强的纳秒脉冲作用时, 光学击穿中等离子体的形成主要是雪崩电离的结果, 利用雪崩击穿的阈值理论得到了等离子体形成模型, 求出了等离子体形成范围, 理论模型结果与实验结果基本相符.最后基于激光支持的爆轰波模型, 利用流体力学理论求出了等离子体的温度、 速度、 压强等特征参数, 并分析了微通道的特点.高温高压的等离子体烧蚀出石英微通道, 等离子通过后, 在冲击波压力作用下微通道内壁熔化的 石英凝固形成固化层.     

激光诱导击穿光谱在薄膜损伤分析中的应用

提出了应用激光诱导击穿光谱技术对薄膜损伤特性进行表征的方法,研究了纳秒脉冲激光作用下薄膜损伤时的等离子体光谱特征,并应用该技术对薄膜的抗激光损伤特性进行了测量.实验测得,HfO2单层膜在78mJ的激光能量的辐照下,薄膜损伤时的等离子体温度为2 807.4K,且电子密度为7.4×1017cm-3.利用识别薄膜损伤时的等离子体光谱的特征,准确地判断了薄膜是否损伤,避免了薄膜损伤的误判现象.结果表明,激光诱导击穿光谱技术适用于薄膜的激光损伤测试中,并且是一种非常有效的测试分析方法.     

激光诱导击穿火焰等离子体光谱研究

采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.     

纳秒激光水击穿成丝实验研究

为了研究水与纳秒激光相互作用的现象,利用相机拍摄了经显微镜放大之后的击穿区域的图像。激光射入水中后,若激光功率超过击穿阈值,水被击穿,在传播方向上形成纺锤形状的等离子体光点,同时在纵向上出现光束分裂和多丝现象。增大入射能量,传输方向上光点变密,纵向上多丝现象更加明显。利用B-T理论模拟了一维光场经调制之后的光场分布,与实验结果吻合较好。     

激光诱导击穿空气等离子体时间分辨特性的光谱研究

空气等离子体的时间行为对空气环境下激光诱导等离子体形成过程的研究有重要意义.本文将纳秒Nd:YAG脉冲激光(1064 nm)聚焦于一个大气压的空气中,诱导其产生等离子体.利用具有纳秒时间分辨功能的PI-MAX-II型ICCD,采用时间分辨光谱方法,研究了大气环境下激光诱导等离子体的时间行为.大气环境下的激光诱导等离子体光谱广泛分布于300—900 nm范围内,并且是由带状光谱和线状光谱叠加而成的.根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库,对等离子体光谱中的氧、氮、氢等元素的特征谱线进行了识别和归属.给出了激光诱导击穿大气等离子体光谱随时间演化的直观图像,根据空气等离子体发射谱线计算了等离子体电子温度和等离子体电子密度.这些结果对于提高在大气环境下进行的在线测量结果的准确性和精确性具有重要的科学意义.     

光击穿液体空泡特性的高速图像测量

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子体闪光、空泡脉动、冲击波辐射、空泡溃灭发光等综合效应,将高速摄影技术应用于液体激光击穿研究.采用高功率激光聚焦击穿水、酒精、甘油、硅油等粘性液体,观测到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭、空泡溃灭发光及冲击波辐射.通过对激光空泡图像序列的分析,得到了不同液体介质中激光空泡的脉动特征、冲击波辐射等特性.研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀、能源相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持.     

激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响

为了提高激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发产生土壤等离子体,采用光栅光谱仪和光电检测系统记录了元素谱线AlⅠ394.401 nm,BaⅠ455.403 nm,FeⅠ430.791 nm和TiⅠ498.173 nm的辐射强度和信背比,研究了激光脉冲重复频率(5,10和15 Hz)对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,在相同的激光输出能量条件下,当采用15 Hz的激光脉冲重复频率时,元素Al,Ba,Fe和Ti的谱线强度要比5 Hz时的分别提高50.94%,112.7%,107.46%和99.38%,光谱信背比分别提高15.16%,24.08%,40.26%和72.06%。通过测量等离子体参数,解释了激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响机理。     

纳秒激光对铜靶环形损伤的实验研究

研究了光强环形分布的纳秒脉冲激光对焦前铜靶的损伤形貌随脉冲功率密度的变化规律,发现在不同功率密度下,铜靶的环形损伤中,凹、凸纹的空间周期及凹凸对比度,随脉冲能量显著变化.使用熔融、蒸发、等离子体吸收和屏蔽及冲击硬化的观点,定性地解释了不同脉冲能量激光作用下烧蚀区不同形貌的成因.     

THz Radiation Generation via the Interaction of Ultra‐short Laser Pulses with the Molecular Hydrogen Plasma

In this paper, a two dimensional Particle In Cell‐Monte Carlo Collision simulation scheme is used to examine the THz generation via the interaction of high intensity ultra‐short laser pulses with an underdense molecular hydrogen plasma slab. The influences of plasma density, laser pulse duration and its intensity on the induced plasma current density and the subsequent effects on the generated THz signal characteristics are studied. It is observed that the induced current density in the plasma medium and THz spectral intensity are increased at the higher laser pulse intensities, laser pulse durations and plasma densities. Moreover, the generated THz electric field amplitude is reduced at the higher laser pulse durations. A wider frequency range for the generated THz signal is shown at the lower laser pulse durations and higher plasma densities. Additionally, it is found that the induced current density in hydrogen plasma medium is the dominant factor influencing the generation of THz pulse radiation. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

脉冲激光烧蚀Ge产生等离子体特性的数值模拟

 针对激光烧蚀半导体材料Ge初期的特点，建立了1维的热传导和流体动力学模型。对波长为248 nm、脉宽为17 ns、峰值功率密度为4×10⁸ W/cm²的KrF脉冲激光在133.32 Pa氦气环境下烧蚀Ge产生等离子体的特性进行了数值模拟。结果表明：单个激光脉冲对靶的烧蚀深度达到55 nm，蒸气膨胀前端由于压缩背景气体产生压缩冲击波, 波前的速度最大，温度很高。从不同时刻的电离率分布图中得出，在靶面附近区域，Ge的1阶电离始终占优势；在中心区域，脉冲作用时间内，Ge的2阶电离率比1阶电离率大，脉冲结束后，Ge的2阶电离率下降，1阶电离率逐渐变大。     

激光诱导等离子体开关控制脉宽实验研究

 利用激光诱导等离子体开关技术，在1 064 nm的Nd：YAG固体激光器上获得了脉宽4.4~6.4 ns的短脉冲激光输出。激光电离空气产生的等离子体开关控制脉冲宽度时，聚焦透镜焦距越短，压缩后的脉宽越窄，但激光能量损耗越大。压缩后的激光脉宽与激光能量近似成双曲线关系。在控制脉宽光路的焦点处放置带孔的Cu薄片可抑制等离子体的扩散，得到了脉宽最短可达4.4 ns的激光输出。     

激光诱导Al等离子体中连续辐射波长分布

用Ar作环境气体,压强固定在100 kPa,激光脉冲能量145 mJ/pulse,利 用时空分辨技术,采集激光烧蚀Al靶产生的等离子体辐射的时间分辨谱。分析了Al等离子体 连续辐射特征。根据连续辐射强度的时间分布,简要讨论了激光诱导等离子体连续辐射的产 生机理。根据连续辐射强度的波长分布,提出了原子对激光诱导等离子体连续辐射共振吸收 机理。认为：Al原子吸收能量的主要机制是原子实吸收连续辐射光子,原子实吸收光子的方 式是与价电子构成极性振子对连续辐射共振吸收。     

共线DP-LIBS低碳合金钢中碳元素定量分析

碳元素是决定合金钢性能的重要元素之一。为了提高低碳合金钢中碳元素的检测灵敏度,在氩气氛围中利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)合金钢样品中的碳元素进行了检测。首先,使用高速相机采集双脉冲实验条件下的等离子体图像,研究等离子体形貌随脉冲间隔时间变化的演化规律,结合双脉冲条件下获得的光谱信息,确立碳元素的最佳脉冲间隔时间为1 900 ns。其次,研究了氩气吹扫条件和氩气气室条件对碳元素光谱信号强度的影响。氩气气室能够有效屏蔽空气中二氧化碳的影响,从而提高合金钢中碳元素分析的准确性。最后,采用内标法对合金钢样品中的碳元素进行定量分析。与单脉冲得到的结果相比,双脉冲实验条件下,碳元素定标曲线的R2由0.983提升至0.991,检测限由206 μg·g-1提高至110 μg·g-1,共线DP-LIBS技术使合金钢中碳元素检测限提高了1.87倍。恰当的脉冲间隔时间能够有效的提高共线DP-LIBS光谱特性和设备的检测灵敏度,同时双脉冲的二次激发效果可以进一步有效的减弱实验条件波动带来的影响,使定标模型具有更好的线性相关性。     

Superradiant linear Raman amplification in plasma using a chirped pump pulse

A theoretical and numerical investigation of small-signal Raman backscattering from a chirped pump pulse in plasma shows that an ultrashort probe pulse will grow superradiantly, i.e., with an amplitude that scales with the propagation length while contracting self-similarly. These features are commonly associated with the nonlinear stages of Raman amplification in the pump depletion and Compton regimes. We show that the superradiant scaling results in very broad-bandwidth amplification due to gain distributed in frequency as well as spatially. Since different frequencies excite the plasma at different positions, wave breaking is avoided, and prepulses and pedestals are substantially suppressed. Linear chirped pulse amplification in plasma could provide a very broad-bandwidth alternative to solid state laser amplifiers, potentially usable for optical pulses a few cycles in duration.     

有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响

 通过测量由等离子体临界面移动造成的反射激光的频移，研究了有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响。实验表明，当激光强度达到10¹⁷ W/cm²时，有质动力将明显地降低等离子体热膨胀速度，造成极陡的密度分布，使得等离子体中的主导吸收机制，由共振吸收转换为真空吸收。     

相对论性电子在强激光场和Debye屏蔽库仑场下的散射

 在量子理论的框架内,利用含强激光场的二级相对论修正的运动方程,采用直接数值解法,着重研究了强激光场和Debye屏蔽库仑场下荷电粒子的碰撞截面及其与激光脉冲波形、频率、强度和屏蔽参数等的关系。