纳秒激光诱导空气等离子体的红外辐射特性研究

纳秒激光诱导空气等离子体存在从紫外、可见、近红外乃至射频微波的宽谱段辐射,但目前的研究大多关注紫外到可见波段的光谱辐射。激光等离子体作为一种新型的红外辐射源具有很多优势,相比于红外干扰弹以及红外干扰手段而言,空气等离子体红外辐射源可以灵活布置,成本低廉,因此研究空气等离子体的红外辐射特性就很有必要。针对目前脉冲激光诱导空气等离子体的红外干扰研究需要,对激光波长为532 nm的纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的红外辐射特性进行实验研究,探讨激光能量对空气等离子体红外辐射强度的影响规律,以及空气等离子体红外辐射的角度分布特性,分析了等离子体红外辐射的可能产生机制。实验结果表明,激光诱导空气等离子体在950～1 700 nm范围内的红外光谱为线状谱和连续谱的叠加。其中线状谱主要是氮和氧的中性原子谱线,并且氮原子红外辐射占主导。随着激光能量的增加,由于空气击穿产生的氧和氮原子数量增加,导致空气等离子体红外辐射的谱线强度逐渐增大。随着红外探测角度的变化,在探测角度为75°时,OⅠ 1 128.63 nm和NⅠ1 246.96和1 362.42 nm谱线强度达到最大,在探测角度为120°时,NⅠ 1 011.46和1 053.96 nm谱线强度达到最大,这是因为空气等离子体红外辐射强度随探测角度变化呈现空间非对称性,表明空气等离子体内不同粒子的空间分布呈现非对称性。     

空气中激光清洗过程的等离子体光谱分析

在空气环境下,激光诱导等离子体光谱用于激光清洗状态的在线分析快速而准确。该文利用中阶梯光栅光谱仪探测脉冲激光器作用于干净及表面污染的铜币样品产生的等离子体光谱谱线,这些谱线中不但包含了清晰的铜原子发射谱线,还包含空气中氧气和氮气与激光作用产生分解效应的原子谱线。为了消除单次测量的不确定性,分析了多次测量的分布恒定的氧原子和氮原子谱线的统计规律,表明强度分布规律一致,且相对标准差基本相同,可以采用单次测量的光谱图变化表示清洗过程中状态。表面污染的铜币光谱图中包含多元素原子谱线和连续谱线,清洗干净铜币的光谱图连续谱线消失且只有铜元素谱线,观察谱线变化就可以表明样品是否被清洗干净。     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

飞秒激光空气等离子体发射光谱的实验研究

对强飞秒激光聚焦在空气中所激发的等离子体的发射光谱进行了实验研究.结果表明,光谱特征表现为短波段(截至波长为340 nm)强烈的连续谱和长波段(波长在800 nm附近)强度相对较低的线光谱.在脉冲宽度(50 fs)保持不变而不断调节激光脉冲能量时,等离子体光谱形状的特征基本相似;当激光脉冲能量(1 mJ)保持不变而脉冲宽度从50 fs增加至500 fs和1 ps时,连续谱的峰值(500 nm)显得格外突出,并开始呈现出线光谱特征. 关键词： 飞秒激光 激光空气等离子体 发射光谱 线光谱     

空气中飞秒激光等离子体荧光辐射光谱研究

系统地研究了不同聚焦条件下飞秒激光空气等离子体的荧光辐射特性以及空间演化情况.在紧聚焦情况下,由于焦点附近比较高的激光强度以及比较高的电子密度,辐射光谱表现为连续谱和线状原子光谱的叠加.在弱聚焦情况下,辐射光谱主要由很多分子线谱组成,而没有观测到连续谱的产生.还研究了光谱谱线强度随激光传输距离的演化情况,结果显示,光谱谱线的强度变化在一定程度上间接反映了等离子体细丝的演化情况.     

闪电放电通道的辐射演化特性

用无狭缝红外光谱仪获得了山东地区云对地闪电回击过程的近红外光谱,并与可见光波长范围的闪电回击光谱进行了对比分析.根据近红外光谱的结构特征,讨论了闪电通道等离子体的光谱辐射顺序以及不同波段连续光谱的主要辐射机制,研究得出：可见光谱主要是闪电回击初期和发展阶段的辐射|近红外光谱主要是闪电发展后期的辐射|可见波段的连续光谱主要来自韧致辐射的贡献,而红外部分的连续光谱主要来自复合辐射的贡献.由分析结果推断：闪电通道等离子体的复合过程是闪电产生O3、NOX的主要途径,复合过程中的氧吸附作用和去吸附过程是近红外光谱中氧原子谱线增多的重要原因,也是OI 777.4 nm相对强度比较大的主要原因.     

磁约束飞秒激光诱导铜等离子体特性研究

建立磁约束飞秒激光诱导铜等离子体辐射光谱采集系统,通过发射光谱法分析磁约束效应对飞秒激光诱导铜等离子体特性的影响.在强度为0.67T的稳磁场约束下,等离子体辐射连续谱和分立谱均有增强,分立谱线增强更显著;铜原子上能级越高,其辐射的原子谱线增强因子越大,具有最高上能级的Cu I 507.6nm增强因子最大,为2.8;等离子体铜原子谱线持续时间明显延长,在等离子体演化初期,谱线增强显著,在较大延时,谱线增强迅速减弱;等离子体电子温度和电子密度均有提高.     

闪电放电通道的辐射演化特性

用无狭缝红外光谱仪获得了山东地区云对地闪电回击过程的近红外光谱,并与可见光波长范围的闪电回击光谱进行了对比分析.根据近红外光谱的结构特征,讨论了闪电通道等离子体的光谱辐射顺序以及不同波段连续光谱的主要辐射机制,研究得出:可见光谱主要是闪电回击初期和发展阶段的辐射;近红外光谱主要是闪电发展后期的辐射;可见波段的连续光谱主要来自韧致辐射的贡献,而红外部分的连续光谱主要来自复合辐射的贡献.由分析结果推断:闪电通道等离子体的复合过程是闪电产生O3、NOX的主要途径,复合过程中的氧吸附作用和去吸附过程是近红外光谱中氧原子谱线增多的重要原因,也是OI777.4nm相对强度比较大的主要原因.     

激光大气等离子体光谱特性实验研究

报道了对波长为1．06μm的脉冲激光在气体样品中产生的等离子体进行光谱研究的结果。气体样品为一个标准大气压的纯氮、纯氧和空气,光谱探测范围为300～900nm。结果表明,各种气体样品的激光等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的叠加,文中分别给出了连续谱和线状谱的基本特征,讨论了这些特征与等离子体物理特性的关系,并分析了纯氮、纯氧与空气激光等离子体光谱之间的异同。给出了激光等离子体光谱的时间演化和空间分布的基本特征,并初步讨论了与这些特征相关的等离子体物理特性。这些结果有助于加深对激光等离子体特性和机理,特别是对等离子体产生后的弛豫过程和复合机制的了解。     

激光氧气等离子体光谱的时间演化研究

报道了脉冲激光在一个大气压的纯氧(纯度为99.999 9％)中所产生的等离子体光谱进行时间演化特性研究的结果。激光器的工作波长为1.06 μm,光谱探测范围为300～900 nm。实验结果表明,激光氧气等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的迭加,它们的演化过程各不相同。基于各种光谱成分的时间演化特征,分析了激光氧气等离子体在衰变期间可能存在的一些物理过程及其演化特征,讨论了激光氧气等离子体寿命较长的主要原因。这些结果有助于加深对激光大气等离子体特性和机理的了解,为进一步开展延长激光大气等离子体寿命方法的研究提供实验依据。     

氧气放电等离子体温度测量研究

为了考察电激励氧碘激光器中放电腔内的宏观气体温度,由两片蚌形铜电极和一根长30 cm内径1.65 cm的耐热玻璃管构成放电腔装置,用一台最高功率500 W,频率13.56 MHz的射频装置对压力1 330Pa的纯氧气体进行了介质阻挡放电研究。利用O2(b,ν=0)的P支发射光谱,分别采用波尔兹曼直线作图法和计算机模拟发射光谱法,测量了氧气射频放电等离子体的宏观气体温度。对于低分辨率光谱,利用高斯拟合进行了分峰处理,利用峰面积表征发光强度,通过波尔兹曼作图法得到了宏观气体温度。利用氦氖激光器测得的光谱仪狭缝函数获得了计算1机模拟发射光谱,以最小二乘法作为判据,通过比较计算机模拟发射光谱和实测光谱获得了宏观气体温度。     

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.     

Radon decay monitoring in air using characteristic emission of species in metal-assisted LIBS

Copper assisted optical emission spectroscopy is studied in the synthetic air and (Rn + air) environment. The copper plate acts as the metal target in the Q-SW Nd:YAG laser induced plasma. Several characteristic emissions are taken from oxygen, nitrogen and the copper species in (Rn + air) plasma within the control chamber. The emission lines due to the metal species and air components exhibit noticeably to be enhanced respect to those of the synthetic air. The corresponding amplitudes lucidly decrease during a ten day follow-up. The instantaneous reductions of the copper characteristic lines are in agreement with the radon decay. The plasma temperature is estimated based on the Boltzmann plot whereas the corresponding electron density is determined using the Stark broadening. It is shown that those plasma parameters gradually increase with time to reach the values of pure air after several radon half-lives.     

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

针对煤粉燃烧辐射光谱问题,利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量,详细分析了煤粉辐射光谱特征,并基于普朗克辐射传热定律,通过对光谱仪波长响应特性的标定,得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况,进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数,由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量,开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究,研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征,基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量;煤粉燃烧火焰辐射光谱在590,766,769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线,并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关;随着煤粉浓度的提高,虽然燃烧温度变化不大,但由于火焰辐射率的增加,造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。     

Evaluation of plasma produced by first and second harmonic nano-second laser for enhancing the capability of laser induced breakdown spectroscopy technique

Evaluation of plasmas produced and optimized for improving the capability of convenential laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) for analytical purposes of solid samples is the main goal of the present work. The plasma produced in the present study was generated by focusing a single nano-second Nd:YAG laser at the fundamental wavelength of 1064 nm and at the second harmonic wavelength of 532 nm on an Al target in air at atmospheric pressure. The emission spectrum was recorded time resolved over the whole UV-NIR (200–1000 nm) spectral range. This work describes an extension of previously reported studies and focuses now on the determination of the plasma parameters at the optimum condition – highest signal-to-noise ratio (SNR) and minimum limit of detection (LOD) — of the LIBS technique, which is now widely applied to the elemental analysis of materials in atmospheric air. Parameters of the produced plasma in the time interval from 0 to 10 μs are determined for to further understanding the LIBS plasma dynamics. O I and Mn I spectral lines are used in the present work as thermometric lines for the determination of the plasma temperature based on Boltzmann plots. Stark broadening of lines yields the electron density. The widths of the H _α -line at 656.27 nm, of the O I line at 844.65 nm, of Al II lines at 281.65 nm and 466.30 nm and of the Si I line at 288.15 nm has been utilized for that. The plasma temperature ranged from 0.73 eV to around 1 eV for the different laser energies with both laser wavelengths for the optimized plasma used for LIBS analysis. This temperature is very close to that well known for the other spectrochemical analytical techniques or in excitation sources such as inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES).     

Pressure-sensitive blackbody point radiation induced by infrared diode laser irradiation

Ultrabroadband radiation from Yb(2)O(3) at ambient and low air pressures was investigated under the excitation of a 980 nm diode laser. The radiation was confirmed to be blackbody radiation, and it is sensitive to environmental air pressure in the way that the integrated radiation intensity decreases linearly with increasing air pressure. An ideal gas model may be employed to interpret the linear dependence. The pressure-sensitive radiation characteristic provides a potential method for noncontact measurement of air pressure with high accuracy.     

激光烧蚀Cu靶产生等离子体紫外段发射光谱的研究

利用波长532nm,脉宽15ns的Nd:YAG 激光器作用于Cu靶上,研究了产生等离子体的紫外段（180 nm～300 nm）发射光谱。在局部热力学平衡条件下,采用Boltzmann图表法估算了等离子体的电子温度,得到了电子温度随时间和空间的变化,以及电子温度随激光能量密度的变化。结果显示,随着激光能量的变化,电子温度有一个极大值。随着时间的发展,电子温度先减小,而后增大,接着缓慢减小。随着距靶面距离的增加,电子温度呈下降趋势。     

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