激光加工过程中激光诱导等离子体的动态过程研究

本文利用高速摄影机对激光加工过程中伴随产生的等离子体在室温大气压下的动态过程进行监测研究．对等离子体持续过程及其随时间的变化进行实验分析，提出等离子体在通道内突然消失的可能机制，并为进一步控制等离子体的形成提供了实验基础。     

激光脉冲能量对激光诱导铝合金等离子体物理特性的影响

为研究激光脉冲能量对激光诱导等离子体辐射特性和膨胀过程的影响,采用ICCD相机对不同激光脉冲能量激发的铝合金等离子体进行快速成像,并利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析等离子体的电子温度和电子数密度随激光脉冲能量的演化规律.实验结果表明,激光诱导等离子体呈现明显的分层结构,等离子体的激发阈值约为3mJ,等离子体不同区域的面积随激光脉冲能量变化呈现不同的特征.当激光脉冲能量低于10mJ时,等离子体的分层结构不显著.激光脉冲能量从10mJ增加到100mJ过程中,等离子体电子温度从4 980K升高到7 221K,等离子体的电子数密度在1017 cm-3量级并随激光能量增加而增大且趋于饱和.     

飞秒激光低压N2等离子体特性的实验研究

在低于一个标准大气压的条件下对飞秒激光产生的N₂等离子体光谱进行了实验研究.结果表明, 各种样品气压下的激光N₂等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的叠加.随着样品气压的降低, 连续谱和原子谱线的强度经历了由缓慢增强发展为缓慢降低再到迅速降低的过程, 而正一价离子谱线强度呈现逐步增强的特征.在气压低于0.3 atm (1 atm=101325 Pa)时, 出现了正二价态的离子谱线. 给出了低压N₂等离子体对于飞秒激光传输和能量吸收的物理特性, 并初步讨论了低压等离子体通道特性.这些结果有助于加深了解飞秒激光等离子体的特性和机理, 特别是给出了在实验上测量不同价态离子光谱的条件, 为今后的研究提供了有益的实验依据. 关键词： 飞秒激光 气压 等离子体光谱 激光传输     

强激光天体物理学研究

用激光等离子体相互作用对天体物理过程进行模拟研究已成为当前世界物理和天文学家深感兴趣的重要前沿领域.文章比较了强激光作用下产生的等离子体与天体物理条件下的等离子体之间在内部物理过程的相似性,论述了由前者模拟后者的物理依据,即相似性原则和定标规律.在此基础上,回顾和评述了当前已经在高离化态光谱学、类天体等离子体状态方程和辐射不透明度以及流体动力学不稳定性等方面开展的强激光天体物理学的研究,这些研究对于理解超新星、白矮星、中子星以及巨行星、褐矮星等领域的天体物理过程起到了极大的作用,并正在成为联系天体物理理论模拟和观测的中间桥梁.     

超强激光与等离子体相互作用产生中子的计算

对超强激光与等离子体相互作用过程中发生的氘-氘反应的中子能谱进行了计算.并将计算结 果与实验结果相比较.采用麦克斯韦能量分布和高斯形式的角分布对实验结果进行拟合，从 而确定了入射氘离子的温度和角分布，为研究离子的加速机制提供了依据. 关键词： 中子能谱 激光与等离子体相互作用     

脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮等离子体特性研究

采用光栅光谱仪 对脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的等离子体空间分辨发射光谱进行了测量. 研究了500–600 nm波段范围内的等离子体空间发射光谱强度随激光平均功率和脉冲重复频率的变化情况. 结果表明: 等离子体辐射光谱强度在其径向膨胀方向上距离砂轮表面约2.4 mm处达到最大值. 在局部热力学平衡假设条件下, 根据等离子体中六条铜原子谱线的相对强度, 利用Boltzmann 图法, 计算得到在不同激光功率和重复频 率条件下的等离子体电子温度沿砂轮径向方向的分布规律. 实验结果表明: 在激光修锐青铜金刚石砂轮过程中, 距离砂轮表面约3 mm处等离子体电子温度出现峰值, 其温度最高可达4380 K, 且等离子体电子温度随着激光参数和 空间位置的改变呈现出不同的演变规律. 关键词： 脉冲光纤激光 等离子体发射光谱 激光修锐 电子温度     

脉冲激光等离子体冲击波碎石机理分析

利用自行研制的Nd:YAG激光器产生的纳秒和微秒激光脉冲,分别在水中和空气中对几种人体结石进行了粉碎实验,激光被耦合到芯径为400μm的石英光纤中,耦合效率达70%.实验研究和分析计算表明脉冲激光等离子体冲击的产生是激光碎石的主要动力,而热分解作用只是促进了等离子体的形成并不是粉碎结石的主要原因,体液冲流和周围介质对等离子体的约束加速了碎石过程,脉冲激光碎石的过程是这几个方面共同作用的结果。     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用中后孤立子的观测

开展了超短超强激光与稀薄等离子体相互作用实验,在实验中采用等离子体单色成像法观测等离子体发光图像,捕捉到了近乎对称的环形等离子体发光结构. 在对实验结果进行分析并与理论预言进行比较后确认这是由激光-等离子体相互作用形成的后孤立子云外围的高密度等离子体壳层发光所致. 同时通过对等离子体通道的观测还发现,孤立子的形成对超短超强激光在稀薄等离子体中的传输产生了非常大的影响. 关键词： 超短超强激光 稀薄等离子体 单色成像 后孤立子     

激光直接加热自背光法辐射不透明度测量方法探索

本文提出一种基于单束激光直接加热多层平面靶开展 稠密等离子体辐射不透明度特性研究的靶物理设计并对其进行了实验验证. 在XG-II激光装置上, 采用三倍频束匀滑激光辐照Au/CH/Al/CH多层平面靶产生背光源和Al样品等离子体, 通过观测背光源经样品等离子体衰减后的透过谱得到样品等离子体的辐射吸收性质. 采用Multi-1D程序对激光加热多层靶进行了辐射流体力学数值模拟, 给出了样品等离子体状态及其时间演化过程. 利用细致谱项模型 (DTA) 对实验测量的Al等离子体吸收谱进行理论分析, 表明等离子体温度在20–70 eV之间, 该结果与辐射流体力学模拟结果基本一致. 关键词： 吸收光谱 自背光 激光等离子体     

激光击穿大气等离子体的光谱实验研究

对一个大气压的N2,O2和纯净空气, 用YAG脉冲激光的1.06 μm光束产生激光等离子体, 对该等离子体在大约400-800 nm谱段的发射光谱进行了实验研究. 实验表明, 空气及其主要组分的激光等离子体光谱均由较强的连续光谱背景和迭加在其上的若干线状光谱组成. 随着光谱采样的延时, 激光等离子体中各光谱组分的强度有很不相同的相对变化. 而且, 处于等离子体不同空间部位发出的光谱, 也有很大的不同. 对此类问题的定量分析正在进行之中.     

激光诱导铝等离子体中原子和离子组分膨胀特性

为了了解等离子体中原子与离子组分的膨胀特性及背景气体存在状态下其运动状态的改变规律,设计了一系列实验,并进行了深入探究.采用波长为532 nm的纳秒激光剥蚀铝样品形成等离子体,并使用配有em ICCD检测器的C-T型三光栅单色仪对等离子体进行时序采集,同时使用2400 g·mm~(-1)的光栅替代窄带滤光片进行不同组分成像诊断,得到铝等离子体中Al Ⅰ (396.1 nm), Al Ⅱ (466.3 nm), Al Ⅲ (447.9 nm)的光谱分辨图像.在不同背景气压下采集了等离子体各组分光谱图像,探究背景气体对等离子体演化的影响.结果表明,在等离子体形成过程中,离子组分相对于原子组分分布在羽流前端,且角度分布较小.原子与离子组分的真空膨胀速度均处于10~4m·s~(-1)量级.等离子体中离子组分的运动速度较高,且其运动速度随着离子价态的增加而增大,但在本实验使用的能量密度范围下,随激光能量的变化波动不大.中性原子的运动速度较慢,但随能量的增加而增大.随着膨胀过程的进行,各组分羽流沿样品表面法线方向推进且发射强度逐渐降低,对应的羽流密度和温度也相应降低.环境气压逐渐增大时,各研究组分运动状态与在高真空度下时有明显区别.在气压大于1 Pa后,等离子体与环境气体发生相互渗透,膨胀前端出现的晕影,产生扰动,发生束缚缓速.且等离子羽因气压增大而收缩、与背景气体的碰撞概率增加,使得羽流发射强度加强,等离子体的寿命随之延长.提出的新颖诊断方法与实验所得结果可为等离子体组分动力学过程的研究提供参考.     

Compton散射对激光等离子体通道寿命的影响

为了研究多光子非线性Compton散射对飞秒激光退吸附作用对等离子体通道寿命的影响,应用多光子非线性Compton散射模型和强飞秒激光在空气中产生等离子体通道内带电粒子动力学模型,提出了多光子非线性Compton散射是影响等离子体辐射阻尼和通道寿命的一个重要机制,给出了等离子体通道中带电粒子的修正动力学方程,并进行了数值计算和实验研究.结果表明:散射削弱了自由电子对氧分子的吸附和正负离子的复合,有效地补偿了等离子体的辐射阻尼效应,后续激光脉宽和间隔以及Compton散射是影响等离子体辐射阻尼和通道寿命的关键因素,理论计算与实验结果较好的吻合.     

基于激光等离子体加速的自由电子激光研究新进展

激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束,为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展,电子束的品质难以达到自由电子激光的需求,尤其在稳定性、发散角和能散等方面,阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展,整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展,并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明,通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大,产生高增益的辐射,这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。     

激光烧蚀金属元靶等离子体中电学信号的实验研究

将高功率脉冲激光作用于金属元靶,探测激光诱导等离子体在靶上产生的电学信号.研究了作用激光能量的差异对等离子体电信号的影响,实验结果表明随着激光能量的增加电信号脉冲幅度逐渐增大并趋于饱和.同时,将激光烧蚀过程中的靶材等效为瞬态电流源,初步建立了激光诱导等离子体等效电路模型,并将该模型应用于激光烧蚀金属靶,对靶上电信号的产生机制进行了详细讨论.     

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     

准分子激光蒸发YBa_2Cu_3C(7-x)靶产生等离子体的膨胀过程研究

对XeCl准分子激光蒸发YBa_2Cu_3O_(7-x)陶瓷靶产生的等离子体进行了实验和理论研究.利用发射光谱,分辨出等离子体内的各种粒子.并对各种粒子进行了飞行时间谱测量.在实验的基础上,建立了一个等离子体的膨胀模型.计算结果与实验符合较好.     

纳秒激光诱导空气等离子体射频辐射特性研究

开展了波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒激光诱导空气等离子体射频电磁辐射特性实验研究,基于锥形天线探测空气等离子体在30-800 MHz频谱范围有较强的射频电磁辐射,是等离子体内电偶极子振荡变速运动造成的.实验结果表明:随激光能量增加,30-200 MHz范围内射频辐射强度逐渐变强,但360-600 MHz频率范围射频辐射强度逐渐变弱.等离子体射频辐射的空间分布依赖于入射激光的偏振方向,当激光偏振方向与天线放置方向一致时,该方向上空气等离子体的射频辐射强度高,谱线较丰富.射频辐射总功率随激光能量先增加后降低,采用等离子体电子密度变化对等离子体频率及等离子体衰减系数影响(制约)关系,对射频辐射总功率随激光能量的变化规律进行了解释.     

用单发电子束探测激光等离子体内电磁场演化实验研究

惯性约束核聚变研究最近取得可喜成果,美国国家点火装置NIF装置实验上聚变增益达到了输入激光能量的三分之二.但是,这一成果与人们的预期还有较大差距,需要更深入研究激光与等离子体相互作用初期的动力学过程.我们发展了一种新方法,用单发长脉冲电子束团为探针,测量激光等离子体内电磁场在整个等离子体持续时间内的演化过程.实验中,高压静电电子源产生能量0—100 keV连续可调、脉宽10ns的电子束团.1 J,532 nm,脉宽约4 ns的激光脉冲聚焦到银靶上,激发产生等离子体.电子束团穿过激光等离子体,被其中的电磁场调制后成像,单发电子束团时间宽度会覆盖整个等离子体持续时间,通过分析电子束团的调制强度,推得等离子体内电磁场的变化.实验上成功实现了单发电子束团对整个激光等离子体内电场的诊断测量,获得了演化曲线,推算出实验条件下电子束通过路径上平均电场的最大值约为7.74×10~5 V/m.     

强激光天体物理学研究——在强激光实验室中模拟某些天体物理过程(Ⅰ)

用激光等离子体相互作用对天体物理过程进行模拟研究已成为当前世界物理和天文学家深感兴趣的重要前沿领域 .文章比较了强激光作用下产生的等离子体与天体物理条件下的等离子体之间在内部物理过程的相似性 ,论述了由前者模拟后者的物理依据 ,即相似性原则和定标规律 .在此基础上 ,回顾和评述了当前已经在高离化态光谱学、类天体等离子体状态方程和辐射不透明度以及流体动力学不稳定性等方面开展的强激光天体物理学的研究 ,这些研究对于理解超新星、白矮星、中子星以及巨行星、褐矮星等领域的天体物理过程起到了极大的作用 ,并正在成为联系天体物理理论模拟和观测的中间桥梁     

激光等离子体动量转换效率的实验研究

强激光与固体靶相互作用时，产生的高速喷射的等离子体对靶具有强烈的反冲作用，因此，激光等离子体可以作为一种新型的推进动力源.与传统的化学燃料推动相比，激光等离子体具有较高的比冲和有效载荷比等特点.对纳秒激光脉冲与铝、石墨、铅和碳氢靶相互作用时，等离子体对靶的冲量进行了实验测量，研究了大气与真空环境下的靶动量与激光聚焦面积的关系，并对部分实验结果与理论计算的数值进行了比较.实验结果显示，大气与真空环境下的靶动量有很大的差异，并且真空下的靶动量受材料性质的影响较大，与以往长脉冲激光的实验结果有很大的不同. 关键词： 激光等离子体 动量 动量耦合系数