用于实时溅射深度测量的新型Grimm辉光放电光源的设计

采用辉光放电光谱仪进行物质表面深度分析时,样品溅射深度是重要的分析信息.本文设计了一种新型Grimm辉光放电光源,此光源与激光位移测距传感器构成的测昔系统可对样品溅射深度进行实时测量,并保证了良好的辉光溅射效果和分辨多层结构及界面的能力.采用激光三角测量技术,在辉光光谱分析的同时对溅射深度进行实时测量,能够有效地解决传统深度分析方法中步骤繁琐以及对深度估算不准确等问题.本光源采用光纤将辉光光谱信号从光源传至多道分光光电检测系统,在结构上首次实现了元素光谱信号和溅射深度信号的实时采集及基于时间的同步分析,对标准样品得到了理想的实时溅射深度测量曲线.本文详细介绍了此新型辉光放电光源的设计思路和工作原理.本辉光放电光源具有良好的深度分辨率,在30 mA,900 V,20 min的溅射条件下,对铁基和铜基样品的溅射速率分别约为10和55 nm·s-1,文中给出了样品的溅射坑表面形貌图和溅射坑显微照片.对中低合金钢标准样品进行了分析精密度实验,分析精度良好,其中C,Cu,Al,Ni,Mo,Mn,V元素相对标准偏差(RSD)均小于1.7%.Cr和Si元素RSD小于2.6%,给出了实测数据.     

高阻隔铝塑膜辉光放电发射光谱深度谱测量参数的优化

脉冲-射频辉光放电发射光谱（GDOES）深度剖析是一种基于辉光放电原理的原子光谱技术，广泛应用于薄膜材料与功能多层膜结构中成分随深度分布的表征。该技术具有真空度要求低，灵敏度高，溅射速率快等优点。同时脉冲-射频电源所采用的瞬间高功率模式可使得氩离子周期性轰击样品表面，避免了由于热量积累所导致的熔融或碳化，因此脉冲-射频辉光放电发射光谱可以用于热敏材料、柔软或脆性等材料的测试，使得GDOES的应用范围由导体扩展至半导体，绝缘体甚至是有机物材料，是深度谱测量的理想选择。铝塑膜作为一种多层复合膜材料是重要的包装材料，具有耐温、耐候性、耐水以及耐酸碱等性能，广泛应用于食品，电子类，国防尖端产品的包装。利用脉冲-射频辉光放电发射光谱深度剖析技术对市场上同一款的高阻隔铝塑膜进行了Pulsed-RF-GDOES深度剖析测量，分析了在不同气压、不同功率、不同气体氛围下，测量深度谱的深度分辨率，溅射速率和信噪比的变化，获得了对铝塑膜进行深度谱测量优化的工作参数。并以相对强度较大的铝信号作为标定，定量计算了测量铝塑膜深度谱的深度分辨率，溅射速率和信噪比。实验结果表明，利用脉冲信号以及氩-氧（4 Vol%）混合气体能有效降低铝塑膜进行深度剖析的热效应，从而扩大参数的调节范围；溅射速率随着功率和工作气压的增加而增加；深度分辨率与功率并非是一个单调函数，存在多个拐点。当溅射功率为40 W时，深度分辨率为最佳；在溅射压强大于950 Pa时，深度分辨率基本不变；信噪比随功率的增加而增加，随气压的增加而减少；使用氩-氧（4 Vol%）混合气体作为溅射气体时，测量信号的分辨率与信噪比均大幅优于纯氩气。实验获得的最佳深度谱测量参数为：氩-氧混合工作气压950 Pa，功率40 W, 脉冲频率3 000 Hz，占空比为0.187 5。     

磷青铜表面合金镀层的辉光放电发射光谱逐层分析

应用辉光放电发射光谱分析技术，从纯金属求得难以测定的试样表层合金的溅射率，对磷青铜薄带的镀层（Ａｇ－Ｃｕ）合金进行表面逐层分析，得到镀层中银和铜含量随深度的变化曲线，同时测得了镀层的厚度。     

激光处理样品的辉光放电发射光谱表面逐层分析

应用辉光放电发射光谱(GD-OES)对经过激光处理的材料进行了表面逐层分析,深度达371μm,得到了所有5种合金元素Fe、Cr、Ni、B和Si的含量随深度变化的分布曲线。     

格里姆辉光放电光源的发展和应用范围

本文评述了辉光放电光源的一些进展情况。对高强度辉光放电灯，磁场辉光放电灯，射频、微波辉光放电灯，同轴双重空心阳极辉光放电灯等技术在增加辉光放电光源的发光强度、降低检出限、提高逐层分析中的层间分辨率等方面的作用作了介绍。也同时介绍了这种光源在金属与合金固体样品直接分析及这些材料的表层、逐层分析中的应用范围。     

一种新型微波等离子体增强辉光放电光源基本特性的研究

本文介绍了一种改进型的微波等离子体增强辉光放电光源。对它的结构，操作以及工作参数和溅射等进行了详细的讨论。     

电弧及辉光微等离子体大气压取样的发射光谱研究

在线化学分析需要实现开放环境下的样品取样和电离/激发。相比于激光切削或者激光诱导击穿,大气压微等离子体系统结构简单,更利于小型化。因而基于大气压微等离子体的在线化学分析技术引起行业的广泛关注。为了确定合适的微等离子体源进行样品的在线元素检测,需要进一步了解各放电模式及工作参数下微等离子体的自身特性以及取样效果。该工作主要研究了电弧及辉光放电微等离子体在大气压下对样品铁取样发射光谱的特性。实现了在开放环境下对高熔点金属样品的在线检测,并发现电弧放电微等离子体与光谱分析源联用具有更高的取样效率。高采样效率的电弧放电微等离子体源为实现金属及难解离样品的检测提供了一种新的方法。同时,相较于传统的取样装置,避免了复杂的样品制备、样品传输过程。实验装置采取简单的针对板放电结构,分别利用高压脉冲电源、直流电源获得电弧放电和辉光放电。实验的结果表明,在放电功率近似相等的条件下,电弧放电产生的微等离子体对样品铁取样的光学发射谱中,样品元素的特征谱线占据主导地位,同时伴随有空气中氮气的谱线,而且铁离子(FeⅡ)谱线的相对强度显著高于氮气分子谱线的相对强度。而在直流辉光放电中,样品铁原子(FeⅠ)谱线相对强度非常不明显。由此说明,电弧放电产生的微等离子体具有更高的采样效率。放电在样品表面留下的溅射坑也得出了相同的结论。增加辉光放电电流到25 mA,发现样品元素铁的谱线仍然没有明显的增强。同时,也研究了采样间距对两种采样模式的影响。实验结果表明,间距对两种模式的采样光谱没有显著的影响。采用主要成分为铝的合金铝箔进行了上述对比实验,得出相同的结论,即电弧放电微等离子体更适合作为光谱分析源来实现对金属样品的实时快速检测。     

H_2辉光放电清洗时轰击器壁的离子能量测量与分析

一、引言 辉光放电是清洗锻炼环流器真空室器壁的有效手段。H_2辉光放电时,氢离子轰击器壁与器壁中的C和O发生化学反应,生成CH_4,H_2O等气体;同时,这些离子提供能量使得吸附在器壁表面的杂质气体脱附,从而被泵出真空室外,达到清洗锻炼的目的。由于辉光放电时,离子轰击的能量较高,会引起一定的溅射沉积。我们在模拟真空室(六通装置)进行了辉光放电,对各种参数下的离子能量进行了测量,从中找出了离子能量与极间电压(阳极与器壁之间的电压)、放电电流、以及气压、离子流密度之间的某些关系。     

间隙绝缘电极辉光放电实验观察

实验研究了 ITER H₂/He 辉光放电壁处理(GDC)系统的电极合理的间隙绝缘参数及标定辉光过程中 沉积在电极头部的热负载。进行了 H₂/He 击穿电压特性试验,在 ITER GDC 预期的壁离子电流密度条件下研究了 H₂/He 辉光放电电压和试验电极上热负荷与压强的关系、试验电极启辉耐受特性、试验电极温度与热负荷的关系 以及在不同区域辉光放电的气压特性。介绍了 H₂/He 放电期间在电极及其附近区域的溅射和沉积的检测结果以及 对间隙绝缘的影响。为 ITER 辉光放电壁处理系统的设计和运行提供参考。      

大气压电解液阴极辉光放电发射光谱检测水体中的金属残留

水环境中的金属残留严重威胁人类的健康安全,急需快速、高效的金属残留检测技术。文章报道了自行建立的大气压电解液阴极辉光放电发射光谱装置。利用待测液体作为放电阴极进行大气压辉光放电实现了水体中金属离子的痕量检测。对配制的标准样品进行了定量测量,基于背景发射光谱的3σ计算,获得了大气压电解液阴极辉光放电光谱装置对Na, Li, Cu, Pb和Mn等5种金属元素的检测限,分别为0.008, 0.005, 1.1, 2.06和1.95 mg·L-1。该装置在金属残留的实时在线检测领域具有应用前景。     

Development of a femtosecond micromachining workstation by use of spectral interferometry

A workstation that permits real-time measurement of ablation depth while micromachining with femtosecond laser pulses is demonstrated. This method incorporates the unamplified pulse train that is available in a chirped-pulse amplification system as the probe in an arrangement that uses spectral interferometry to measure the ablation depth while cutting with the amplified pulse in thin metal films.     

大非线性相移下光学非线性Z扫描特性的研究

采用高斯分解法(GD)对大非线性相移下的Z扫描特性进行了分析，通过对数值算法的优化，将GD推广到对脉冲入射激光下大非线性相移下的Z扫描理论分析.对不同条件下大非线性相移Z扫描曲线峰谷结构的比较，发现在大非线性相移的情况下，Z扫描曲线的峰和谷随透过光阑或入射光强变化表现出某些新的特性.随着透过光阑孔径的增加，Z扫描曲线峰的变化要明显快于谷的变化，而且在谷明显存在的情况下，峰很快消失.采用皮秒脉冲激光下的纯二硫化碳实验对理论结果加以验证，实验结果和理论分析相一致.我们的分析结果对大非线性相移下Z扫描测量有一定的指导性意义，避免在大非线性相移下对Z扫描结果产生错误的分析. 关键词： 大非线性相移 高斯分解法 Z扫描     

Sinusoidal phase-modulating laser diode interferometer insensitive to intensity modulation for real-time displacement measurement with feedback control system

In sinusoidal phase modulating laser diode (LD) interferometer, the injection current of the LD is sinusoidally modulated to realize the modulation of the wavelength. However, the light intensity of LD is also modulated, which affects the measurement accuracy. An all-fiber sinusoidal phase modulating LD interferometer for real-time displacement measurement is proposed where the influence of the intensity modulation is eliminated with a new algorithm. It is made clear that an optimal depth of the sinusoidal phase modulation (SPM) exists in the algorithm. Moreover, the SPM depth is locked at the optimal value by controlling the injection current with a feedback control system. The feasibility of the proposed interferometer for displacement measurement is verified by experiments.     

红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法

为解决扫描镜摆角实时动态非接触测量问题,基于激光检测技术和CCD探测技术,提出一种红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法,并研制了扫描镜摆角动态测试系统,其可实现扫描镜的摆动频率、零位角、幅值、峰峰值平均等参量的动静态激光非接触测量。介绍了系统的组成和总体结构,着重对扫描镜摆角动态测量理论和大视场、大相对孔径特殊线性扫描光学系统的设计方法进行了分析与探讨,通过建立系统的数学模型,解决了测量数据误差修正与图形处理问题。对测量系统的精度进行了验证,结果表明系统的摆角测量范围为0~±12°,分辨力为0.01°,动静态测量精度优于±0.04°。     

应用于碳同位素丰度测量的激光频率刻度系统研究

对应用于激光吸收光谱法碳同位素丰度测量中的激光频率实时刻度系统进行研究. 采用不同自由光谱范围的共焦法布里-珀罗干涉仪对测量过程中的激光扫描频率进行实时测量. 分别采用线性内插法和多项式拟合法对激光频率每次扫描过程中的频率非线性进行分析,通过对4976–4980 cm^-1波段CO₂吸收谱的多次测量平均的实验结果与HITRAN-2008数据库相应的吸收峰数据进行比较,得到两种方法的激光频率刻度精度均可达到10^-4 cm^-1,线性内插法的刻度精度要好于多项式拟合法. 验证了激光频率实时刻度系统在碳同位素丰度测量中应用的可行性. 关键词： 激光频率实时刻度 共焦法布里-珀罗干涉仪 同位素丰度测量 激光吸收光谱法     

激光波长对拉曼散射水温遥感系统测温精度及探测深度的影响

机载激光拉曼散射雷达技术可以快速获取次表层海水温度的三维分布,具有重要的实用价值和经济价值.首先,从理论上分析了水的伸缩振动拉曼谱峰值位置和半高全宽与激发波长之间的对应关系,发现随着激发波长的增大,拉曼峰逐渐向长波方向移动,且拉曼光谱半高全宽显著增大.然后,实验测量了不同温度下450 nm激光和532 nm激光激发的水的拉曼光谱,对比验证了上述理论分析结果.并采用单高斯峰拟合法分析了两组拉曼光谱,拟合出高斯峰峰值位置与温度之间的关系,分析了激发波长对温度测量精度的影响.研究发现,采用较长波长的激发光可以提高拉曼光谱的测量精度,从而改善测温精度.最后,建立了拉曼散射雷达方程,分析了拉曼散射系数与激光波长之间的关系,研究了激光波长对雷达系统探测深度的影响.结果表明,激光波长对雷达系统探测深度有很大的影响,采用480 nm以下波长的激光时雷达系统探测深度较大,而采用长波段激光时雷达系统探测深度会大幅降低.实际系统设计中选取激光光源时需要综合考虑上述两方面的影响.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯监测方法研究

瓦斯爆炸是煤矿安全的主要威胁,对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。实验研究了近红外半导体激光吸收光谱技术在煤矿瓦斯气体安全检测中的应用。系统光源采用的是1.65μm波长的近红外可调谐DFB激光器,使用了波长调制和二次谐波检测技术,通过光纤进行信号传输。系统检测限低于0.09%,气体浓度的检测速度最高可达到0.02s。研究表明:该技术具有实时、连续、快速、非接触检测的特点;现场无带电部件,具有多点分布式遥测的能力,能够满足煤矿瓦斯安全检测的要求。     

一种实时测量入射激光波长及方位的新方法

提出了一种利用CCD和光栅实时测量入射激光波长及方位的新方法。该方法利用成像CCD,通过测量入射激光成像点在电视成像坐标系中的位置来确定激光的入射方位;根据光学系统中成像点位置与光栅入射角和衍射角的几何关系,利用光栅测量入射激光的波长。介绍了该方法的测量原理及光学系统结构,给出了测量入射激光波长及方位的计算表达式,分析了测量误差,并在室内通过测量实验对该方法进行了验证。     

CW激光辐照薄板热力响应全场测量

实验研究了CW激光辐照铝合金薄板的热力响应过程,利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)结合红外测温系统对整个过程的变形场和温度场实现了全场实时测量。分析了入射激光功率对变形场和温度场的影响,发现变形和温度均随入射激光功率线性增长。建立了三维有限元模型对实验过程进行模拟,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了有限元模型的可靠性。3D-DIC结合红外测温系统可以很好地对激光破坏试验中的靶体变形场和温度场进行实时测量,是一种很有效的实验测量手段。