基于激光诱导偏振光谱与激光诱导荧光技术的CH4/AIR火焰参数测量

建立了激光诱导偏振光谱（LIPS）和激光诱导荧光（LIF）联合的燃烧流场诊断系统,测量了CH4/AIR预混火焰中心不同高度处的OH荧光光谱和激光诱导偏振光谱,计算了OH的浓度及燃烧场温度分布。分析了燃烧炉表面对荧光收集效率的影响,并对两种技术的测量数据进行了分析比对,获得了火焰中心OH密度的分布规律。实验结果表明,联合LIPS和LIF两种技术测量CH4/AIR预混火焰参数是可行的,两种技术测量结果的一致性较好,OH浓度的相对偏差小于5%,温度的相对偏差小于8%。     

二维偏振光谱技术对燃烧场的诊断

利用单脉冲激光诱导偏振光谱技术测量了甲烷/空气预混火焰、酒精灯火焰和固体燃剂燃烧场中OH的二维分布。简述了激光诱导偏振光谱技术的基本原理和二维测量的实验方法;通过测量火焰中OH自由基A~2∑~+-X~2∏(0,0)跃迁带中Q1(8)吸收线的强度,获得了燃烧场中OH的二维分布。实验结果对了解火焰构造,研究燃烧机理等有一定的参考价值。     

LIPS技术探测CH4/空气火焰中的OH自由基

论述了激光诱导偏振光谱技术的基本原理,实验方法及其对燃烧场的测量结果.利用光谱扫描方法获得了A2∑ -X2Ⅱ(0,0)跃迁带系列吸收谱线及P1(2)谱线的线型轮廓.测量了CH4/空气预混火焰不同化学配比、不同空间位置OH自由基的相对分布.实验中通过设计精密旋转调节装置有效提高了信噪比.     

利用拉曼散射测量燃烧场的组分浓度及温度

介绍了利用拉曼散射测量燃烧流场温度及组分浓度的物理方法和实验测量结果。利用可调谐KrF准分子激光激发振动拉曼散射（VRS）测量了甲烷－空气燃烧火焰内不同空间的主要组分分子（CH4、N2、O2、H2O等）浓度及温度,测量误差小于10％;另外用N2的拉曼谱拟合测量了火焰的温度,测量精度高于5％。在实验中采用了偏振技术及波长调谐提高了信噪比和测量精度。     

1维非稳腔空间增强探测CARS技术对稳态燃烧场温度的测量

 建立了1维非稳腔空间增强探测CARS实验系统，该系统由光源（YAG激光器、染料激光器）、实验光路和信号采集系统组成。分别测量了空气和化学平衡比为1，甲烷流量为0.7 L/min的甲烷-空气预混火焰中的氮气Q支的CARS实验谱。给出了火焰不同高度处小范围内的温度分布结果，并对实验结果进行了分析，结果表明：预混火焰温度随高度的增加呈下降趋势，测量结果的不确定度优于7%。该技术可用于稳态燃烧场温度的测量。     

激光诱导荧光光谱燃烧测温技术研究

基于分子激发态振动能级粒子碰撞能量弛豫过程的理论,本文提出了一种可望实现瞬态燃烧温度测量的新技术——激光诱导分子热助振动荧光光谱技术。建立了分于激发态振动能级粒子碰撞能量弛豫过程的四能级系统模型,以BaCl分子为对象实验研究了激光诱导热助振动荧光光谱的特性,通过以5170波长选择激发BaCl的C~2Ⅱ_(1/2)(v=1)←→)X~2∑(v=0)能级跃迁,对液化石油气/空气预混火焰温度进行了实验测量。     

基于紫外可调谐激光吸收光谱技术的甲烷/空气平面预混火焰温度测量研究

火焰温度是燃烧领域最重要的宏观物理量之一,使用紫外可调谐激光吸收光谱技术,以火焰中的OH自由基作为测量对象对甲烷/空气平面预混火焰进行了温度测量。首先使用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对甲烷/空气平面预混火焰不同燃烧工况条件下火焰中的OH基分布进行了测量,选取火焰中OH基分布均匀工况进行了紫外吸收光谱温度测量。通过LIFBASE仿真计算,综合考虑温度测量灵敏度、测量信噪比等因素,选择OH基A-X(0,0)吸收带中的P_1(2)和Q_1(8)两支谱线作为被测跃迁。测量时使用Nd∶YAG激光器泵浦染料激光器,经倍频后输出308~311nm紫外可调谐激光。通过染料激光器以0.4pm为步长进行激光波长调谐,分别扫描获得两条吸收谱线的吸收峰线型。对实验数据进行voigt拟合后,通过计算两条谱线的积分吸收值之比,获得了平面预混火焰中的温度信息。分别测量了燃烧器表面不同水平位置与燃烧器中心不同高度处的火焰温度。测量结果与文献报道的采用同样结构燃烧器,通过其他光谱技术获得的测量结果进行了横向对比。在OH基浓度较高的火焰锋面区域测温结果吻合度较高,验证了该技术测量结果的可信度。由于其测量对象与双线OH-PLIF测温的一致性,该技术未来可作为局部温度测量方法,进一步应用于对双线PLIF等二维火焰温度空间分布测量结果的标定当中。     

水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性

利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究.分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响.实验结果表明:当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧;当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰的OH、CH的发射光谱强度得到一定程度的增强.     

单脉冲喇曼散射技术测量高压燃烧场组分浓度

介绍了自发喇曼散射技术的基本原理、实验方法及对高压燃烧场的测量结果。利用Nd:YAG激光的三倍频输出激发振动喇曼散射,在单脉冲条件下测量了高压模拟燃烧室内不同化学配比条件下以氢气-空气预混燃烧场为主要组分(N2,O2,H2O,H2等)的喇曼光谱,获得了主要组分浓度随燃烧时间、燃烧场压力的变化规律。实验中利用偏振技术有效地提高了信噪比。通过优化激光光束形状及光路设计避免了等离子体光谱对喇曼信号的干扰。     

燃烧场参数的激光诊断技术研究

 介绍了燃烧场参数的激光诊断技术的研究进展，给出了用自发拉曼散射、激光诱导荧光、相干反斯托克斯拉曼散射法诊断燃烧场温度和组分的实验系统和部分实验结果，单次测量火焰的温度和组分浓度相对误差小于10%；利用平面激光诱导荧光技术获得了稳定燃烧场二维OH荧光图像，并分析了激光作用区域火焰二维温度场的分布。     

激光烧蚀硬铝产生等离子体温度和力学效应测量

 为了研究激光推进技术中激光与材料相互作用的机制，获取等离子体状态参数及力学参数，采用Nd:YAG被动调Q固体激光器烧蚀硬铝，通过激光诱导等离子体光谱技术测得等离子体光谱和温度，由冲量摆测得力学参数。实验结果显示：在激光功率密度0.534×10⁸ W/cm²时，靶材表面的等离子体温度在等离子体辐射过程中呈二次曲线衰减；改变靶材等离子体点燃阈值附近的激光功率密度时，随着功率密度的增加，等离子体温度、冲量耦合系数也随着增大，当功率密度达到靶材的等离子体点燃阈值时，各参数达到最大，此后随着功率密度增加，由于等离子体对能量的屏蔽作用，导致靶材表面的等离子体温度降低，等离子体获得的动能减少，靶材耦合的冲量降低。     

空气环境下煤粉流LIBS多元素同时检测中激光能量研究

考察了大气环境下激光诱导击穿光谱适用于煤粉流多元素同时检测的激光能量范围,分析了造成煤粉流测量谱线信号波动的原因,得到了适用于煤粉流多元素同时检测的激发区域功率密度范围和最佳功率密度。实验选取能量范围为20～160 mJ,粒径小于200 μm煤粉颗粒经下料口自由下落形成煤粉流束,通过螺杆式给粉机控制流量,波长1 064 nm脉冲激光聚焦后作用于下降的煤粉流束上,产生等离子体,光谱仪采集等离子体发射光谱信号,分析结果表明：实验台架下适于煤粉流LIBS检测的能量范围为30～60 mJ,对应激发前沿功率密度选取范围14.4～34.4 GW·cm-2,最佳测量功率密度19.5 GW·cm-2。     

Laser microstructuring and annealing processes for lithium manganese oxide cathodes

It is expected that cathodes for lithium-ion batteries (LIB) composed out of nano-composite materials lead to an increase in power density of the LIB due to large electrochemically active surface areas but cathodes made of lithium manganese oxides (Li-Mn-O) suffer from structural instabilities due to their sensitivity to the average manganese oxidation state. Therefore, thin films in the Li-Mn-O system were synthesized by non-reactive radiofrequency magnetron sputtering of a spinel lithium manganese oxide target. For the enhancement of the power density and cycle stability, large area direct laser patterning using UV-laser radiation with a wavelength of 248 nm was performed. Subsequent laser annealing processes were investigated in a second step in order to set up a spinel-like phase using 940 nm laser radiation at a temperature of 680 °C. The interaction processes between UV-laser radiation and the material was investigated using laser ablation inductively coupled plasma mass spectroscopy. The changes in phase, structure and grain shape of the thin films due to the annealing process were recorded using Raman spectroscopy, X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The structured cathodes were cycled using standard electrolyte and a metallic lithium anode. Different surface structures were investigated and a significant increase in cycling stability was found. Surface chemistry of an as-deposited as well as an electrochemically cycled thin film was investigated via X-ray photoelectron spectroscopy.     

光斑尺寸对光学薄膜元件温升的影响

 实验测量了波长1 064 nm， 10 kHz高重复频率激光辐照下在白宝石、石英玻璃、K9基片上制备的Ta₂O₅/SiO₂高反膜的温度变化，有限元分析的结果与实验结果相一致。用ANSYS程序计算了不同光斑直径、相同功率激光和相同功率密度激光辐照下薄膜元件温升的变化。结果表明：相同功率激光辐照光学薄膜元件时，光斑大小只影响激光辐照点的温升，对基板温升没有影响。基板温升只与激光功率有关，激光功率越大，基板温升越大。相同功率密度激光辐照光学薄膜元件时，光斑越大，激光辐照点温度及基板温度均越高。从激光损伤的热效应考虑，小光斑激光辐照时，光学薄膜的激光损伤阈值较高。     

Laser heating method for estimation of carbon nanotube purity

A new method of a carbon nanotube purity estimation has been developed on the basis of Raman spectroscopy. The spectra of carbon soot containing different amounts of nanotubes were registered under heating from a probing laser beam with a step-by-step increased power density. The material temperature in the laser spot was estimated from a position of the tangential Raman mode demonstrating a linear thermal shift (-0.012 cm^-1/K) from the position 1592 cm^-1 (at room temperature). The rate of the material temperature rise versus the laser power density (determining the slope of a corresponding graph) appeared to correlate strongly with the nanotube content in the soot. The influence of the experimental conditions on the slope value has been excluded via a simultaneous measurement of a reference sample with a high nanotube content (95 vol. %). After the calibration (done by a comparison of the Raman and the transmission electron microscopy data for the nanotube percentage in the same samples) the Raman-based method is able to provide a quantitative purity estimation for any nanotube-containing material. Received: 11 December 2001 / Accepted: 12 December 2001 / Published online: 4 March 2002     

1 319 nm连续激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

实验测定了离体人皮肤组织在1 319 nm连续Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,研究了激光辐照功率密度和作用时间对皮肤组织温升分布的影响.结果表明,皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照功率密度以及作用时间密切相关;激光输出功率密度15.80 W/cm2时安全辐照时间阈值为120 s,功率密度48.92 W/cm2时安全辐照时间阈值为6 s.     

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。     

脉冲Nd∶YAG激光诱导钼等离子体UTA辐射特性研究

利用Nd∶YAG激光作用于真空腔内的高纯固体钼(Mo)靶产生等离子体,并测量了不同脉冲激光功率密度下Mo等离子体在2～9 nm范围内的时间积分光谱。基于碰撞辐射平衡模型(CRM)和Cowan程序计算得到不可分辨跃迁峰(UTA)原子光谱数据,并假设谱线展宽为高斯线形,获得了在不同电子温度和电子密度下的理论模拟光谱,模拟光谱与实验光谱吻合的较好。实验与理论研究光谱表明：Mo ⅩⅥ-Mo ⅩⅫ离子的3d-4f不可分辨跃迁峰位于水窗波段,通过控制脉冲激光参数和采用合适的等离子体约束条件,获得水窗辐射波段Mo离子的高丰度布居,有望将激光Mo等离子用于单脉冲活体细胞显微成像水窗光源。     

脉冲激光烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布与激光功率密度分布的研究

用较为符合实际的高斯分布表示了脉冲激光输出功率密度分布，讨论了脉冲激光功率密度分布函数形状变化对烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布的影响。建立了考虑热源项的热传导方程，并给出了相应的边界条件。以Si为例，用有限差分方法模拟了温度随时间、位置的变化规律，模拟过程中强调了对边界条件的处理，使整体截断误差保持最小。通过改变脉冲激光功率密度分布函数的形状，分析了温度分布的变化。结果表明，相比恒定脉冲功率密度输出，功率密度高斯分布的激光束与靶材作用时高温阶段的温度变化率变大，靶材表面熔融时刻热扩散距离增加；当激光器上升沿变陡时，在有效作用时间内温度上升得更快，对加工区域周围热效应的影响明显减弱，而热扩散距离变小。     

Laser and plasma nitriding of titanium using CW-CO2 laser in the atmosphere

Surface nitriding of the titanium by the mixing technology with laser and plasma (LPN) in atmosphere has been investigated. Comparing with the technique of laser nitriding, we could obtain the titanium nitride at relatively low laser power density and the oxidation was prevented without the chamber. The synthesized layers comprised of titanium nitrides were about 178 μm depth. The effect of the laser power density, scanning velocity, and plasma flow rate on the components consisting of the material of the nitrided layer was studied. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) were used to reveal the components consisting of the material of the nitrided layer.