重复频率高功率微波脉冲的大气击穿

 理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性，推导了n个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度，数值模拟并给出了在不同微波频率、大气压强、脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下，大气击穿时，透射过去的脉冲个数与微波功率的关系。模拟结果表明：当微波脉冲参数一定时，压强越小，透射过去的脉冲个数越少，大气越容易发生击穿；当压强一定时，脉宽越宽,微波频率越小，透射过去的脉冲个数越少，大气越容易发生击穿。     

脉冲激光作用下气溶胶导致大气击穿研究

 利用锁模Nd:YAG激光及其倍频激光照射漂浮在大气中的Al₂O₂、ZnO、ZrO₂、18号玻璃粉等气溶胶粒子，在不同光学参数下对光致大气击穿阈值进行了测量。测量结果表明：空气中含较大粒子(d >30 μm)的光致击穿阈值比含较小粒子(d <1μm)的空气击穿阈值低2~3个数量级；含杂空气的击穿阈值随入射激光束直径的增大而下降，随气溶胶粒子直径的增大而减小，且随气溶胶成份的不同而不同；光致击穿阈值随波长的减小而增大。     

高功率激光表面大气击穿阈值的波长关系

通过对大气击穿的物理机制、低空大气中的自由电子及其寿命和电离机制进行讨论,给出了高功率激光大气击穿较为明晰的物理图像。并通过理论分析,给出了激光大气击穿阈值的波长关系,对给定波长激光的大气击穿阈值可以作出迅速的估值,是一种较为简捷的方法     

激光导致水击穿和等离子体形成过程的物理分析

对短脉冲激光作用水介质中引起光学击穿的机制进行了分析,通过自由电子密度速率方程的数值解确定激光的击穿阈值.将数值计算结果与波长在可见光和近红外波段,脉宽为ns、ps和fs的激光脉冲在纯净水和含有杂质的水中的实验测量的击穿阈值作了比较.还计算了等离子体中自由电子密度的演化、等离子体吸收系数和能量密度.通过解自由电子密度速率方程得到结果与实验测量的值符合得很好.     

脉宽对中红外激光带内损伤HgCdTe材料的影响

研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响,使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度,载流子对数目流,载流子对能流,载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明,波长2.85 μm,脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中,300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近,均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现,波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下,10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应,其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。     

高功率微波在低电离层中传输特性分析

 高功率微波在大气中传输有一个衰减较大的高度，在这一高度，微波的强电场容易使大气电离形成等离子体，从而引起较大的非线性衰减，极端情况下会产生大气击穿。在低电离层(50~100 km)，自然电离产生的电子浓度较高。主要研究高功率微波在低电离层的传输衰减特性。计算表明，在50 km高空，非线性吸收衰减最大，该高度也是最容易产生击穿的地方。在同样的电场强度下，脉宽越窄，衰减系数越小，衰减越小。在低电离层区间内，大气压强越小，吸收越小。     

锰原子的二步多光子与三步三光子共振电离研究

激光共振电离技术是痕量分析中的重要手段之一。文章以速率方程理论为基础,对锰原子的激光共振电离过程进行了分析,讨论了电离过程中各级激发光功率密度及激光作用时间对电离效率的影响;提出了根据所要求的电离效率和激光作用时间计算所需要的各激发光或电离激光的功率密度的方法;得到了饱和激发或饱和电离的规律及阈值条件。研究发现,在激光作用时间为10 ns时,锰原子饱和电离的激光强度阈值基本都在108 W·cm-2的量级,只有“1+1”双色双共振低三个量级;而“1+1”和“1+1+1”饱和激发的激光强度阈值则在102～103 W·cm-2量级;并且随着激光作用时间的增加,各过程的饱和激发和饱和电离的激光强度阈值将单调减少。     

激光诱导薄膜等离子体点燃时间及其影响因素

将波长为1064nm的纳秒Nd∶YAG脉冲激光聚焦在单层Al膜上,诱导其产生等离子体闪光,模拟计算了等离子体闪光的点燃时间(t_m),分别得到了t_m与激光波长、入射激光能量、聚焦光斑半径、脉宽等激光作用参数的关系曲线,研究分析了薄膜材料、薄膜表面杂质和缺陷对t_m大小的影响。结果表明,激光聚焦光斑和脉宽越大,t_m就越大;激光波长和入射激光能量越大,t_m越小;薄膜材料电离能越小,t_m越小;薄膜表面存在杂质和缺陷时,t_m变小。这些结果对关于激光维持燃烧波和爆轰波的产生机制的研究提供了一定的参考。     

激光波长及脉宽对光学材料抗损伤性能的影响

 基于能带理论,利用激光与光学材料相互作用的理论模型,研究了激光辐照下材料导带自由电子数密度的变化,讨论了材料损伤阈值与激光波长、脉冲宽度、材料禁带宽度之间的关系,数值分析了激光波长和脉冲宽度对损伤阈值的影响。结果表明:当脉宽小于1 ps时,材料损伤阈值随脉宽增大而减小;当脉宽大于1 ps时,材料损伤阈值随脉宽增大而增大;激光波长为10 fs~10 ns,损伤阈值随着波长的减小而减小。     

用激光诱导击穿光谱测量铝合金的激光烧蚀阈值

采用正交几何配置的双波长双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱技术准确测量了铝合金样品的激光烧蚀阈值。在烧蚀激光波长为532 nm、脉宽为12 ns并采用焦距为2 cm的非球面透镜强聚焦的条件下,得到铝合金的激光能量烧蚀阈值为48 J,等效的能量密度烧蚀阈值为9.8 J/cm2。该技术是一种新的激光烧蚀阈值的光谱测量手段,与传统的测量技术相比,具有高灵敏、准确、快捷和便利的特点,可以用于不同材料的激光烧蚀阈值的准确测量。     

FDTD方法分析高功率微波对大气的电离与击穿

 应用麦克斯韦方程和电子流体方程,利用时域有限差分方法(FDTD)计算模拟了高功率微波(HPM)对大气的电离与击穿;该方法用瞬时电场代替等效电场,时刻更新大气电离击穿过程中的电离频率和碰撞频率,消除了近似解析法未考虑大气电离击穿过程中电场幅度衰减而引起的误差,计算得到击穿阈值大小随海拔高度的变化趋势与文献所得的变化趋势相吻合,其值略大于近似解析解;并通过仿真计算分析了HPM脉冲幅值、脉宽以及海拔高度等参数对大气击穿的影响。     

飞秒激光诱导水光学击穿阈值

为了研究飞秒激光诱导水光学击穿阈值随激光脉冲参数的变化关系,采用四阶RungeKutta方法对飞秒激光诱导水光学击穿的椭球体模型进行了不同脉宽(40～540fs)、波长(400～1200nm)和光斑尺寸(0～200μm)下的数值模拟。通过控制变量法得出阈值光强与这些激光脉冲参数的关系曲线图,据此定性分析了阈值光强与激光脉冲参数的变化特征趋势。应用光强与功率、能量、辐照曝光量和电场强度之间的关系,得到了它们随激光脉冲参数脉宽、波长和光斑尺寸的动态关系,这为进一步研究飞秒激光与水和含水介质的相互作用提供了理论依据。     

The influence of electron density on the formation of streamers inelectrical discharges triggered with ultrashort laser pulses

In an ongoing program using ultrashort laser pulses to provoke discharges in air over considerable distances at electric fields below breakdown threshold, we have studied the conditions for the onset of streamers in such laser-produced plasmas, both experimentally and through numerical simulations. The results demonstrate the importance of the electron density and of its gradient on the generation of streamers. Also, a significant reduction of the breakdown voltage for a 30 cm plane-plane gap in air was observed with a laser pulse energy of 15 mJ. Finally, a direct comparison of laser-induced breakdown in air and in nitrogen shows the influence of electron attachment to oxygen on the discharge process     

飞秒激光的波长对SiC材料烧蚀的影响

利用10倍的显微物镜将近红外飞秒激光脉冲汇聚到宽带隙半导体材料6H SiC的前表面,研究样品的烧蚀及诱导微细结构。用扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)及光学显微镜测量烧蚀斑。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的关系确定SiC的烧蚀阈值。给出了SiC样品的烧蚀阈值与飞秒激光波长的依赖关系。实验结果表明,可见光区随波长增加,烧蚀阈值从0.29J/cm2增加到0.67J/cm2;而在近红外区,SiC的烧蚀阈值为0.70J/cm2左右,基本上不随激光波长变化而改变。结合计算结果,可以认为在飞秒激光烧蚀SiC的过程中,在近红外区,光致电离和碰撞电离均起到了重要的作用;而在可见光区,光致电离的作用相对大一些。     

强激光大气传输中拉曼散射的数值计算

用经典理论推导了强激光大气传输中由于氮的转动受激Ｒａｎｍａｎ散射所造成的对传输功率的限制方程，并计算了光强的阈值，得到了阈光强与激光波长和脉宽的关系；此外，还研究了二维效应和激光脉冲系列通过大气时声子激发的累加效应。     

KrF laser-induced breakdown of gases

Measurements have been made of the threshold intensities for gas breakdown at the KrF 248 nm laser wavelength. The threshold intensities were measured as a function of pressure for air, H₂, CH₄ and the rare gases.     

Effect of impurities on laser-induced air breakdown at 1.06 μ

Experiments have been performed to determine the reduction of the laser-induced breakdown threshold of 1 atmosphere air due to the presence of particulate matter. SiO₂ and carbon fibers with diameters ranging from 6.6 μ to 68 μ were placed in the focal volume and irradiated by 30 nsec, 1.06 μ laser pulses. The reduction in breakdown threshold is found to be comparable to that previously reported for 10.6 μ radiation. Within the experimental accuracy, the breakdown threshold scales as λ^-2.     

Triggering and guiding of high voltage discharge by using femtosecond laser filaments with different parameters

This paper demonstrates the triggering and guiding of the stationary high voltage (HV) discharges at 5--40 kV by using plasma filaments generated by femtosecond laser pulses in air. A significant reduction of the breakdown voltage threshold due to the pre-ionization of the air gap by laser filamentation is observed. The discharge experiments are performed by using laser pulses with different energy from 15--60 mJ. The electron density of filaments is detected by sonography method. The influence of the electron density of laser filaments on the triggering and guiding HV discharge is experimentally investigated. The results have shown that the behaviour of plasma filaments can strongly affect the efficiency of triggering and guiding HV discharge.     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。