Al等离子体特征辐射时间分辨谱线线形分析

用Nd :YAG脉冲激光烧蚀Al靶获得Al等离子体 ,利用时 空分辨技术采集Al等离子体的辐射信息 ,记录了 10～ 10 0 0 0ns延迟范围内Al等离子体辐射的时间分辨谱 ,通过分析 ,获得了Al等离子体特征谱线AlⅠ 396 15和AlⅠ 394 4 0nm的时间分辨谱。分析了 80 0～ 10 0 0 0ns延迟范围内的谱线线形 ,并分别对两条特征谱线进行了Lorentz函数和Gauss函数拟合。结果发现 ,10 0 0ns延迟以后的谱线是非常规则的Lorentz线形 ;而 10 0 0ns以前的也是Lorentz线形 ,但不十分规则 ;在该延迟范围内 ,所有时间分辨特征谱线与Gauss拟合曲线相差很大 ,说明谱线不是Gauss线形的。参照Lorentz函数拟合结果 ,测量了这两条谱线的半高全宽 ,并与谱线的自然线宽理论值比较。结果发现 ,实验值远大于理论值     

激光诱导Al等离子体中的Doppler效应

用Nd:YAG脉冲激光烧蚀Al靶产生等离子体,利用时间分辨技术采集Al等离子体辐射的时间分辨信息,使用光学多道分析系统(OMA Ⅲ)记录Al等离子体辐射光谱,从而获得激光诱导Al等离子体时间分辨光谱。分别利用Lorentz函数、Gauss函数以及这两种函数的线性叠加函数(后简称叠加函数),对Al原子共振双线Al Ⅰ 396.15 nm,Al Ⅰ 394.40 nm进行拟合分析,解析出实验谱线所含的Lorentz和Gauss线形成分。通过对比这两种线形成分发现,实验谱线主要由Lorentz线形成分所组成,Gauss线形成分相对少得多。通过对比Lorentz函数与叠加函数对实验谱线的拟合曲线,给出了Doppler效应展宽谱线的直观图像,估算了Doppler效应导致谱线的增宽量。结果发现,Doppler效应引起的Al共振谱线增宽约2×10-3～8×10-3 nm,这与理论计算结果6.7×10-3 nm符合得很好。因此,通过拟合分析与理论计算,对激光诱导Al等离子体中的Doppler效应给以圆满解释。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。     

多脉冲高能量强激光诱导产生Al等离子体发射光谱分析

 用Nd:YAG脉冲激光器产生的1.064 μm激光,在空气环境下作用于金属Al诱导产生等离子体,获得了不同能量以及多次脉冲烧蚀下的Al等离子体发射光谱,分析了谱线强度与能量变化之间的关系,实验结果表明：随激光能量的增加,谱线的信号强度明显增强;对等离子体光谱进行Lorentz线型拟合,获取了谱线的半高宽,以此来计算电子密度,得到了电子密度及信号强度随多脉冲强激光诱导次数的增加而逐渐下降的演化规律。     

飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱     

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.     

激光诱导Ti等离子体电子温度的实验研究

室温,常压下,利用Nd∶YAG脉冲激光器产生的波长为1 064 nm, 脉宽12 ns,能量分别180, 230和280 mJ的脉冲激光冲击Ti靶,使用中阶梯光栅光谱仪检测了三种激光能量下对应的光谱。调节延时器DG645的延迟时间,检测了延迟0～500 ns时间范围内Ti等离子体对应激光能量下的发射光谱,分析光谱,可以得到了九条不同的的TiⅠ 和TiⅡ等离子体谱线,证明在该实验条件下,Ti靶能够充分吸收能量电离且离子谱线具有不同的演化速率,利用Saha-Boltzmann法计算并分析Ti等离子体电子温度,实验结果表明：相同的延迟时间,激光能量越大,谱线相对强度越大,电子温度越高,谱线相对强度的变化量随激光能量的变化量增大而增大;在延时0～150 ns内,三种激光能量下的等离子体电子温度和谱线的相对强度都随延迟时间的增加而快速下降,其中280 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度下降速率较快;在150～250 ns范围内,电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加有一个缓慢的上升,180 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度的上升速率较快。250～500 ns范围内,三种激光能量下的电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加而缓慢下降。     

激光诱导氮气等离子体时间分辨光谱研究及温度和电子密度测量

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种重要的分析手段被广泛应用于材料分析、环境监测等领域.特别是随着大气污染问题的日趋严重,基于LIBS的大气污染在线监测分析技术快速发展,氮气等离子体特性的时间演化规律对研究激光诱导大气等离子体动力学和发展大气污染监测的LIBS技术具有重要意义.而温度和电子数密度作为表征等离子体状态最重要的参数,直接影响着等离子体形成、膨胀和退化中的动力学过程以及等离子体中的能量传输效率.本文利用等离子体时间分辨光谱,研究了连续背景辐射、分子谱线强度及信背比(分子谱线与连续背景辐射的比值)在等离子体演化过程中的变化规律,结果显示连续背景辐射寿命在700 ns左右,N_2~+(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+,v:0-0)跃迁谱线强度在12—15μs范围内达到最大值,信背比随时间呈现上升、稳定的趋势,因此利用N+2分子离子第一负带系(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+)研究等离子体温度的观测窗口应选择在10—25μs之间;基于双原子光谱理论,通过拟合实测光谱和仿真光谱研究了大气压下激光诱导氮气等离子体温度随时间的演化趋势,由于辐射损耗远小于碰撞作用,在10—28μs内等离子体温度从约10000 K按指数衰减到约6000 K;在准确测定仪器展宽线型的基础上,利用Nelder-Mead单纯形算法,研究了N原子746.831 nm谱线的Stark展宽和位移随时间的演化趋势,计算了等离子体中电子数密度随时间在10~(17)—10~(16)cm~(-3)量级间衰减,通过分析发现造成等离子体中电子数衰减的主要机理是三体碰撞复合.     

CO2激光锡等离子体极端紫外及可见光光谱

利用CO2激光烧蚀锡靶产生等离子体,当入射到靶面的单个脉冲能量为400mJ,半峰全宽(FWHM)为75ns时,使用光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)采集了等离子体的时间分辨光谱。在局域热平衡假设下,利用谱线的斯塔克展宽和五条Sn II谱线的相对强度计算并得到了等离子体电子密度、电子温度和辐射谱线强度随时间的变化规律;利用掠入射极端紫外平场光栅光谱仪,结合X射线CCD同时探测了光源在6.5～16.8nm波段的时间积分极端紫外辐射光谱。实验结果表明:激光点燃等离子体早期的100ns内有很强的连续谱,此后才能分辨出明显的原子和离子线状谱。在延时0.1～2.0μs的时间区间内,等离子体中的电子温度和密度分别在2.3～0.5eV和7.6×1017～1.2×1016 cm-3范围内,均随时间经历了快速下降,然后再较缓慢下降的过程。激光锡等离子体极端紫外不可分辨辐射跃迁光谱峰值中心位于13.5nm,FWHM为1.1nm。     

变压器油中溶解气体拉曼光谱检测及其光谱线型模型分析

拉曼光谱气体检测技术能利用单一波长的激光对气体样品进行无接触、无损耗检测,适用于油浸式变压器油中溶解气体检测。结合拉曼光谱检测机理,分析了拉曼光谱谱线特征,建立了由洛仑兹函数与高斯函数卷积表示的拉曼光谱Voigt线型模型,其表现出较好的拉曼谱峰线型轮廓基本特征。以谱峰高、中心位置、半峰全宽等为代表的拉曼谱峰线型轮廓基本特征是寻峰的主要目标,其根本目的在获取样本定性及定量检测分析依据。故针对拉曼光谱实验数据设计了基于比较法的自动寻峰模型以实现检测目标。对引入到Voigt线型模型中的寻峰模型进行的模拟实验结果表明,模拟中谱峰高、中心位置等数据均与模型输出数据相吻合。依托实验室构建的变压器油中溶解气体拉曼光谱检测平台,分析检测实验数据表明,Voigt线型模型中半峰全宽参数实际取值区间为(8.7,11.5)(cm-1),模型与其存在偏差。修正该参数取值为10.257 cm-1,并对比研究表明：修正后的Voigt线型模型及寻峰模型具有更好的适应性及实用性。结合实验平台的拉曼光谱气体检测数据的寻峰结果,有效地完成了七种变压器故障特征气体的检测及分析。针对甲烷气体,获得单位气体含量、拉曼特征峰强度与面积三者之间的线性关系,为变压器油中溶解气体拉曼光谱检测定量分析奠定基础。     

Photon trajectories in incoherent atomic radiation trapping as Lévy flights

Photon trajectories in incoherent radiation trapping for Doppler, Lorentz, and Voigt line shapes under complete frequency redistribution are shown to be Lévy flights. The jump length (r) distributions display characteristic long tails. For the Lorentz line shape, the asymptotic form is a strict power law r(-3/2), while for Doppler the asymptotic is r(-2)(ln(r)(-1/2). For the Voigt profile, the asymptotic form always has a Lorentz character, but the trajectory is a self-affine fractal with two characteristic Hausdorff scaling exponents.     

A new method for the direct measurement of spectral line strengths and widths

The most important sources of error incurred in the measurements of spectral-line parameters arise from uncertainty in the determination of the 100 per cent transmittance and in the distortion of the line profile by the spectrometer. These errors have been investigated numerically by passing an idealized spectrometer slit function over several assumed line profiles. In this way, families of correction curves have been constructed, from which spectral-line strengths, widths, and peak absorption coefficients may be determined from apparent values measured directly from the chart recorder. The effect of the form of the slit function has been investigated by using triangular, Gauss, Cauchy and combination Gauss-Cauchy slit functions. The effect of uncertainties in the line shape has been investigated by using Doppler, Lorentz, and Voigt line shapes.     

IPDA激光雷达数据反演快速精确优化算法

研究了积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达中采用洛伦兹线型代替伏格特线型对机载平台探测CO₂柱浓度精度的影响。建立仿真模型，讨论两种线型在数据反演中对温度和气压的敏感性，以及探测相对误差变化随飞行高度的变化。结果表明：伏格特和洛伦兹线型得到的吸收截面，温度和气压敏感性，相对随机误差分别为0.860%，-0.703%和0.224%，基本没有差别，但是洛伦兹线型可以有效地提高光谱参数计算效率。机载IPDA激光雷达采用洛伦兹线型可以快速高精度反演飞行路径上CO₂柱浓度，降低了对系统计算能力的要求，有助于实现在飞期间数据实时反演和分析，以及实施针对突发事件的飞行规划，同时也有助于进一步实现机载激光雷达系统的小型化和集成化。     

佛克脱线型HeⅠ 1 083.0 nm的有效后向散射截面的理论研究

考虑到碰撞展宽导致的洛伦兹线型,理论上研究了佛克脱线型(高斯线型和洛伦兹线型的卷积)HeⅠ 1 083.0 nm辐射线的后向散射截面和有效后向散射截面,HeⅠ 1 083.0 nm辐射线实际上由三条非常接近的1 083.034,1 083.025和1 082.908 nm辐射线组成,文章给出了此3条辐射线的有效后向散射截面的曲线及其峰值,得到的10-16数量级与预言的数量级相一致。此研究比以前假定HeⅠ 1 083.0 nm辐射线为高斯线型更接近实际,从而为共振雷达探测热成层亚稳态He提供了更全面翔实的理论基础。文章还给出了HeⅠ 388.9 nm和HeI 318.8 nm辐射线的有效后向散射截面的曲线及其峰值,得到它们的有效后向散射截面比HeI 1 083.0 nm辐射线的小,此结论与实验结果相一致。     

Integrated absorption of a spectral line with the Voigt profile

A simple approximation has been found for the integrated absorpton of a spectral line with Voigt profile. It is expressed in terms of the integrated absorption of the Doppler and Lorentz profiles. The maximum error is 8%.     

Theory of the resonance escape factors of plasma resonance lines basing on the exact Voigt profile

In this paper, based on the exact Voigt profile we obtained, we derive the theory of resonance escape factors of plasma resonance lines, for both Lorentzian profile and Voigt profile. The oscillator strength, the number density of the absorbing atoms in the ground state, and the optical depth in the line center are discussed. As an example, the helium He I 1083.0 nm, lithium Li I 670.970 nm and carbon C I 111.74 nm are discussed for infrared, visible and ultraviolet regions. The results we calculated are in good agreement with the experimental results. These calculations will be significant in the theoretical analysis of plasma.     

Theory of the resonance escape factors of plasma resonance lines basing on the exact Voigt profile

In this paper, based on the exact Voigt profile we obtained, we derive the theory of resonance escape factors of plasma resonance lines, for both Lorentzian profile and Voigt profile. The oscillator strength, the number density of the absorbing atoms in the ground state, and the optical depth in the line center are discussed. As an example, the helium He I 1083.0 nm, lithium Li I 670.970 nm and carbon C I 111.74 nm are discussed for infrared, visible and ultraviolet regions. The results we calculated are in good agreement with the experimental results. These calculations will be significant in the theoretical analysis of plasma.      

N2- and O2-broadening coefficients and profiles for millimeter lines of N2O

For the purpose of atmospheric applications, we have measured N₂- and O₂-induced broadenings and shapes of rotational lines of N₂O in the 235-350 K temperature range, precisely the J=8←7, J=22←21, and J=23←22 lines, located near 201, 552, and 577 GHz, respectively. The analysis of experimental lineshapes shows up significant deviations from the Voigt profile, which are characteristic of line narrowing processes. In a first step, the Voigt profile was considered for the determination of pressure broadening parameters and of their temperature dependencies. Results are in good agreement with the dependence from rotational quantum number previously observed for other rotational and rovibrational lines. They are well explained by calculations based on a semiclassical formalism that includes the atom-atom Lennard-Jones potential in addition to electrostatic interactions up to hexadecapolar contributions. In a second step, observed lineshapes were analyzed by using the Galatry profile and a speed-dependent Voigt profile. The nonlinear pressure behavior observed for the diffusion rate β involved in the Galatry profile leads to rule out the possible role of velocity/speed changing collisions, and to infer that discrepancies from the Voigt profile result from the dependence of relaxation rates on molecular speeds. This interpretation is supported by the comparison of optical and kinetic radii and confirmed by theoretical calculations of relaxation rates. Finally, it can be claimed that, for the N₂O-N₂ and N₂O-O₂ systems, deviations from the Voigt profile are explained by a speed-dependent Voigt profile.