常压微波等离子体炬装置的模拟与设计

 介绍了一台低成本的常压微波等离子体炬设备,给出了该设备构造及喷嘴的设计思路,分析了各种气体的非磁化微波等离子体的击穿电场强度,数值求解了设备中矩形TE103谐振腔中的电磁场分布,应用高频电磁场模拟分析软件HFSS优化了喷嘴在波导中的具体位置,并对优化后喷嘴周围的电场分布进行了模拟。模拟结果表明：微波输入有效功率为500 W,喷嘴伸出矩形波导1 mm时,喷嘴尖端处的电场强度在1.2×10⁶ V·m^-1以上,远大于氩气的击穿电场强度,更易于等离子体炬的激发。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

介质表面附近微波大气击穿的理论研究

将麦克斯韦方程组和简化等离子体方程耦合求解, 对介质表面附近大气击穿形成等离子体的过程进行了理论研究. 分别使用一维、二维模型对等离子体的形成过程及等离子体对电磁波的反射、吸收过程进行了模拟研究. 一维计算结果发现在n_e = 0, j = 0两种边界条件下, 虽然形成的等离子体密度分布相差较大, 但二者得到的微波反射、吸收、透射波形彼此相差不大. 初始电子数密度厚度为20 mm的条件下, 得到界面附近的等离子体密度大于5 mm厚度的情况. 二维计算结果发现, 由于TE10模在波导中心位置处的微波电场最强, 电子碰撞电离首先在中心位置处形成等离子体, 当等离子体密度达到一定值(临界密度附近)时, 波导中心介质表面处微波场强减小, 等离子体区域沿着介质表面向两侧移动. TE10模在波导边缘处微波电场强度小于击穿阈值, 因此等离子体区域不可能移动到波导边缘附近.     

常压微波等离子体炬的模拟及硫化氢处理

对常压微波等离子体炬装置及H2S废气的处理进行了研究。介绍了一种具有特殊喷嘴结构的微波等离子体炬装置,模拟了不同喷嘴结构下谐振腔中微波电场的强度及分布,在此基础上,进行了H2S废气处理的实验研究。结果表明:采用新型喷嘴结构在喷嘴尖端产生的电场强度和分布更利于等离子体炬的激发,微波功率为500 W时,喷嘴尖端处的电场强度在1.5×106 V/m以上,远大于氩气的击穿电场强度,能有效地激发等离子体炬;当H2S气体与Ar气体流量比为10∶90,总流量为1000mL/min,微波功率为1000 W时,H2S的转化率最大达91.32%;大气微波等离子体炬能有效地处理H2S废气。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

双平行圆柱形MDM纳米棒等离子体波导的传输特性分析

设计了一种由双平行圆柱形纳米棒构成的金属-介质-金属(MDM)型等离子体波导,采用时域有限差分方法(FDTD)分析了波导结构的传输特性。当光波垂直主轴入射时,电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中,从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。在工作波长为1 550 nm的情况下,随着内层金属芯半径的增大,有效折射率减小,传播距离增大;而中间介质层厚度增大时,有效折射率增大,传播距离减小。当外层金属壳厚为20 nm时,电场可以很好地被限制在纳米棒的介质层内。上述结果表明:通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制,降低波导本身的损耗, 使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导能够实现亚波长的光限制,可以应用于光子器件集成和传感器领域。     

高品质因数谐振腔的储能过程和泄能过程

为了计算高品质因数谐振腔的储能过程和泄能过程,将高品质因数谐振腔的输入膜片和输出结构分别建模为一个二端口网络和一个三端口网络,根据高品质因数谐振腔的信号流图,提出了一种基于递推的数值计算方法。用该方法设计了一个工作在2.92 GHz附近的基于BJ32波导的高品质因数谐振腔,给出了谐振腔的储能过程和泄能过程。当输入膜片开口宽度取20 mm、输出膜片开口宽度取60 mm时,计算得出的谐振频率为2.9198 GHz,饱和储能时间为2.6 μs,输出脉冲宽度6.82 ns,输出峰值增益为129.6,能量效率为0.169。     

带状注速调管高频结构的初步研究

 利用3维软件设计并模拟了适用于X波段高功率带状注速调管的“Ⅱ”形谐振腔，根据模拟结果分析了腔体各尺寸对电场均匀性的影响；建立了平面对称结构的3维高频互作用系统模拟平台，应用此平台讨论了扼流器法和漂移管窄壁开槽法这两种抑制漂移管中非工作模式的方法；分析了漂移管的尺寸及漂移头对谐振腔内场分布的影响。研究表明：波导高度、耦合腔宽度和高度对带状注速调管谐振腔间隙的电场均匀性影响较大；而波导长度和宽度、耦合腔长度对该电场均匀性影响不大；腔体连接处加上漂移头可使场分布更加集中；该型带状注速调管谐振腔能够产生均匀的电场，为提高注波互作用效率奠定了基础。     

光纤端面微型传感单元的共振模式及影响因素

首先在光纤端面设计一种由金光栅-介质-金薄膜构成的复合结构,并研究多种共振模式随介质层厚度的变化及其场分布特点。然后研究限制在金光栅和金薄膜纳米级间距的波导共振模,通过反射谱的变化和谐振模式的电场分布特点研究不同阶次的纳米谐振效应。此外,还仿真计算金光栅的宽度、厚度及周期、中间介质层折射率和金反射薄膜厚度的变化对纳米谐振腔光谱特性的影响,根据波导模干涉的相位差公式定性分析其谐振频率的变化,并计算获得纳米谐振腔对腔内介质折射率和腔长的灵敏度。最后,搭建微位移平台,验证光纤端面与金薄膜所构成的Fabry-Perot干涉光谱随间距的变化,并提出光纤端面纳米谐振结构的实现方案。     

任意截面波导中截止波长测试的一种新方法

 提出了一种测试任意复杂截面波导截止波长的新方法。该方法利用波导及谐振腔的有关理论,把任意复杂截面波导的截止频率测试问题转化为对波导谐振腔的测试,因而不但在测试中回避了匹配和过渡等难题,而且达到较高精度,非常适合于微波工程设计使用。还提出了对波导衰减以及模式场分布的测试方法。     

双路微波耦合反应腔的等离子体发射光谱分析

反应腔作为微波等离子体化学气相沉积法制备光纤预制棒的核心,其结构直接影响到反应腔内的电磁场分布,进而影响到等离子体状态,因此对反应腔的结构进行研究是十分有必要的。为了在反应腔中获得较高密度和较好均匀性的等离子体,提出了一种双路微波耦合反应腔结构,首先模拟计算了不同反应腔结构参数下反应腔内的电场分布规律,并以氧气作为工作气体,通过等离子体发射光谱探究了反应腔结构和工作气压对石英管内的等离子体分布的影响。研究结果表明:双路微波输入方式在石英管中心区域产生了很强的电场耦合增强效果。反应腔的内径对电场分布状态影响较大,在反应腔内径为86 mm时,石英管内的电场分布出现轴对称性,且轴向中心区域的等离子体密度最大。在两路矩形波导的距离为61.2 mm和反应腔的长度为202 mm时,反应腔内等离子体的强度和均匀性具有最佳分布。另外还发现,当气压从1.8 kPa上升到2.8 kPa时,反应腔内等离子体光谱强度减小,但靠近石英管内壁处的变化不明显,这与等离子体中粒子碰撞几率增加造成的能量损失和管壁存在的高温有关。     

集成光波导直流电场传感器设计与实现

针对集成光波导电场传感器无法直接对直流电场响应的问题,基于场磨式电场传感器的基本原理,研制了一种由直流电机、屏蔽电极、集成光波导和感应电极构成的直流电场传感器,其体积为87.5 mm×58.5 mm×17.5 mm。推导给出了集成光波导直流电场传感器的工作原理,利用COMSOL软件构建了传感器的三维仿真模型,仿真得出了感应电极上的电场强度随着屏蔽电极的旋转进行周期性的变化。建立直流电场测试系统,对研制的集成光波导直流电场传感器的动态范围进行测试。结果表明:传感器的最小可测电场为5 kV/m,最大可测电场大于140 kV/m,线性相关系数为0.995 1,适合用于直流电场测量。     

A stationary filamentary microwave discharge at a high pressure of argon

A stationary discharge in the form of a filament about 1 mm in diameter is produced in a quartz tube 16 mm in diameter passed through the wider wall of a standard waveguide and field with argon at a pressure of 300 mm Hg at a microwave power of 50 W on a frequency of 7 GHz. The number of filaments increases gradually from one to seven as the power and pressure are increased. The filaments are parallel and oriented along the electric field of the wave. They are arranged symmetrically relative to the equatorial plane of the tube. The distance between the filaments decreases as their number increases. The stationary filaments arising due to ionization-overheating instability may be explained qualitatively using the interference-equilibrium model and assuming that a discharge is organized such as to provide for the maximal power absorption.     

激光透射成像法测量石英管的外径与壁厚

为了同时同位测量石英管的外径和壁厚,建立了激光透射成像系统,对系统测量原理进行研究。基于几何光学和菲涅尔公式,分别导出平行光垂直照射石英管后的透射光线偏向角、相对光强与入射光线离轴距离之间的关系;通过数值计算,分析了偏向角、相对透射光强随入射光线离轴距离的变化特点;针对物方远心光路,分析了光阑对偏向角和相对光强的限制;基于CCD成像原理,通过引入标定系数和补偿因子,导出石英管外径与壁厚的计算公式。实验结果表明:外径绝对误差和相对误差的平均值分别为0.119mm和0.91%,壁厚绝对误差和相对误差的平均值分别为0.153mm和6%。     

石英管对空气中锥-板结构纳秒脉冲放电的影响

报道了石英管对大气压下空气中锥-板电极结构纳秒脉冲放电的影响实验研究.实验过程中发现将石英管纵向移动位置,放电会出现四种明显不同的形貌状态,对其机理进行了初步的探讨.利用发射光谱诊断了其转动和振动温度(分别为295和2200 K),表明该等离子体具有高度非平衡度.还进一步提出大气压下空气中产生类辉光放电的有效途径. 关键词： 纳秒脉冲放电 空气 纵向介质 非平衡等离子体     

激光诱导Ni等离子体发射光谱的空间演化特性研究

在350- 600nm 波长范围内测定了激光烧蚀Ni等离子体中Ni原子的空间分辨发射光谱.测定了385.83 nm发射光谱线的相对强度和STARK展宽及其随径向的变化特性。结果表明, 在沿激光束方向上, 当距离靶表面0-2.5mm范围内变化时,谱线的STARK展宽和谱线的强度都随距靶面距离的增大先增大,但增大到最大值后随距离的进一步增大而减小。谱线强度和STARK加宽的最大值都出现在离靶面约1.5mm处。     

激光诱导Ni等离子体发射光谱的空间演化特性研究

在350～600 nm波长范围内测定了激光烧蚀Ni等离子体中Ni原子的空间分辨发射光谱.测定了385.83 nm发射光谱线的相对强度和STARK展宽及其随径向的变化特性.结果表明,在沿激光束方向上,当距离靶表面0～2.5 mm范围内变化时,谱线的STARK展宽和谱线的强度都随距靶面距离的增大先增大,但增大到最大值后随距离的进一步增大而减小.谱线强度和STARK加宽的最大值都出现在离靶面约1.5 mm处.     

Study of the electric field and wall voltage in a high pressure ac-PDP cell by laser induced fluorescence spectroscopy

The electric field in a surface discharge type ac-PDP cell with He or He/Xe(0.1%) mixture has been measured over a wide range of pressure (5－50 kPa) using laser induced fluorescence detection. The wall voltage was estimated from the measured electric field. The Stark manifolds of triplet atomic helium Rydberg state (2s^3S) with principal quantum numbers (n=8 and 9) have been used to measure the electric field, as the lifetime of 2s^3S is longer than the single atomic helium Rydberg state (2s^1S) in high pressure discharge. Comparison of the Stark manifolds between the n=9 and n=8 shows that the measurement accuracy of electric field can be increased by 10%. The maximum electric field strength during discharge and the wall voltage at the end of pulse decreases with the increase of pressure. The comparison of He and He/Xe(0.1%) discharge at 13 kPa showed that He/Xe gas mixture discharge can accumulate more wall charge on MgO surface and the electric field was somewhat higher than those of pure helium discharge during pulse off period under the same discharge conditions.     

波导内场增强法测量微波气体击穿

 提出并研究了波导内场增强法测量微波气体击穿的实验方案,在密闭波导内加金属针实现电场增强,通过调节微波源辐射功率及两针距离,使微波传输达到气体击穿的条件。介绍了实验原理及诊断方法,进行了频率2.86 GHz、脉宽180 ns的微波在0.1 MPa空气中的击穿实验,分析了实验中得到的典型波形。结果表明实验现象与设计吻合,验证了该方案研究微波气体击穿的可行性。     

带有多孔二氧化硅间隔层的导模共振光栅实现染料激光器发射增强

导模共振光栅是一种典型的平面波导共振结构,可在光栅表面或波导层内形成较强的局域电场,能增强光与物质的相互作用.本文在导模共振结构的光栅层和基底层之间,引入低折射率的多孔二氧化硅间隔层,显著增强了局域电场与增益介质的接触度.结果表明,引入多孔二氧化硅后,共振产生的电场增强区域上移至激光染料层,增加了激光染料与电场的相互作用,实现了激光出射增强.本文基于时域有限差分法,对结构参数进行分析优化,研究了820 nm共振波长激发下的出射激光特性,得到了连续的激光出射,其能量阈值约为2.5 mJ/cm^2,线宽约为0.3 nm.本文提出的结构实现了对表面局域电场的有效调控,增强了激发光与增益介质的相互作用,不但可应用于激光器,还为其它发光器件的设计提供了参考.     

光谱学方法研究介质阻挡沿面放电辉光模式的电场分布

利用介质阻挡沿面放电装置,在低气压空气中实现了辉光放电模式。利用光电倍增管对放电发光信号进行检测,发现外加电压每半周期出现一个发光脉冲,并且正负半周期的光脉冲是不对称的。利用Photoshop软件处理放电的照片,研究发现平行于高压电极不同位置的发光强度基本相同,然而距离高压电极越远,发光强度减小。放电中总电场由外加电场和电介质积累的壁电荷电场共同决定,确定该电场具有重要意义。通过分析放电的发射光谱中N+₂(B 2Σ+_u→X 2Σ+_g)谱线391.4 nm和N₂的第二正带系(C 3Π_u→B 3Π_g)谱线337.1 nm的比值,可以定性地说明电场的分布。研究发现电场在高压电极附近较大而远离高压电极处较小。这些研究结果对沿面放电的数值模拟和工业应用具有重要的价值。