纳秒激光水击穿成丝实验研究

为了研究水与纳秒激光相互作用的现象,利用相机拍摄了经显微镜放大之后的击穿区域的图像。激光射入水中后,若激光功率超过击穿阈值,水被击穿,在传播方向上形成纺锤形状的等离子体光点,同时在纵向上出现光束分裂和多丝现象。增大入射能量,传输方向上光点变密,纵向上多丝现象更加明显。利用B-T理论模拟了一维光场经调制之后的光场分布,与实验结果吻合较好。     

激光诱导煤粉等离子体的特性研究

本文研究了煤粉形态对于激光诱导煤粉等离子体特性的影响,以指导应用激光感生击穿光谱进行煤质测量时最佳样品形态的选择.建立了一套激光诱导击穿光谱的实验台架,对同一煤种的4个不同粒径范围的粉状样品进行激光激发与光谱分析,利用钙原子不同跃迁能级发射谱线的强度分布计算了0.3～0.5μs区间内的等离子体温度,并依据谱线Stark展宽与电子密度的关系得到了等离子体的电子密度.再对激发不同粒径煤粉样品产生的等离子体温度与电子密度进行了对比.实验证明,煤粉粒径越小,等离子体温度越高且电子密度越大,也即样品的等离子化程度越高,越有利于煤中元素的定量分析.     

飞秒激光成丝诱导Cu等离子体的温度和电子密度

研究了飞秒激光成丝诱导铜击穿光谱,利用光发射光谱对产生的铜等离子体光谱强度沿着丝长度进行了测量,获得了在不同样品与聚焦透镜间距离的Cu(I)的强度分布.结果显示,由于强度钳箍效应成丝诱导的光谱在较大的透镜样品间距离范围内有较强的辐射强度.另外,利用玻尔兹曼图和斯塔克展宽计算了整个成丝繁衍距离中Cu等离子体温度和电子密度.     

迅速发展中的激光等离子体物理

简介了激光等离子体物理的发展与现状.     

激光脉冲能量对激光诱导铝合金等离子体物理特性的影响

为研究激光脉冲能量对激光诱导等离子体辐射特性和膨胀过程的影响,采用ICCD相机对不同激光脉冲能量激发的铝合金等离子体进行快速成像,并利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析等离子体的电子温度和电子数密度随激光脉冲能量的演化规律.实验结果表明,激光诱导等离子体呈现明显的分层结构,等离子体的激发阈值约为3mJ,等离子体不同区域的面积随激光脉冲能量变化呈现不同的特征.当激光脉冲能量低于10mJ时,等离子体的分层结构不显著.激光脉冲能量从10mJ增加到100mJ过程中,等离子体电子温度从4 980K升高到7 221K,等离子体的电子数密度在1017 cm-3量级并随激光能量增加而增大且趋于饱和.     

延迟双脉冲激光产生大气等离子体的实验研究

利用马赫-曾德尔干涉仪获得了延迟双脉冲激光和三种单脉冲激光产生大气等离子体的时间序列干涉图,得到了等离子体中心区域在不同时刻的电子密度．把延迟双脉冲激光与三种单脉冲激光产生的等离子体电子密度进行比较的结果显示：第二束光作用后的相同时刻,延迟双脉冲激光产生的等离子体电子密度大于三种单脉冲激光产生的等离子体电子密度．对注入相同能量的延迟双脉冲激光与单脉冲激光产生等离子体的电子密度时间变化进行理论分析的结果表明：延迟双脉冲激光的第二束光与等离子体相互作用,使得作用结束时等离子体的电子密度增加得很多,进而造成了第二束光作用后延迟双脉冲激光产生的等离子体电子密度大于单脉冲激光产生的等离子体电子密度．进一步的分析表明,注入能量相同时延迟双脉冲激光有效延长了等离子体的存在时间．     

湿度对激光诱导土壤等离子体特性的影响

为研究土壤湿度对激光等离子体的影响,通过制备六种不同湿度的土壤样品进行实验,选取铅的特征谱线(Pb:405.78nm)为分析线。实验结果表明,随着土壤湿度的增加,谱线的强度、信噪比及RSD线性减小。在局部热力学平衡近似下,选取铁在400～440nm波长范围内的四条特征谱线,利用玻尔兹曼图,测定了等离子体温度在不同湿度下的变化特性,随着湿度从零增加到20%,等离子体温度从11800K近似单调的下降到7800K,电子密度从3.3×106cm-3减小到2.8×106cm-3。     

对飞秒激光等离子体相互作用中横向箍缩的观察

用飞秒激光的Normaski偏振干涉法,对超短激光脉冲产生的等离子体膨胀过程进行了光学诊断,得到了有时间分辨的等离子体干涉图.发现飞秒激光等离子体在靶面平行的方向上出现了箍缩,使等离子体膨胀呈jet结构,这种箍缩现象是由自生磁场对等离子体的约束所造成. 关键词： 飞秒激光等离子体 光学诊断 电子密度分布     

纳秒激光诱导紫铜黄铜等离子体特征参数的对比研究

基于1064 nm Nd:YAG激光器,对比研究了紫铜和黄铜等离子的特征参数。洛仑兹函数拟合Cu I 324.75 nm得到紫铜和黄铜等离子体的电子密度分别是3.61017 cm-3和3.31017 cm-3。为了减小谱线自发辐射跃迁几率不确定性和测量误差带来的计算误差,采用改进型迭代玻耳兹曼算法精确求解紫铜等离子体和黄铜等离子体的电子温度分别是6316 K和6051 K,分析表明,两种等离子体特征参数的差异主要是由于黄铜中的锌元素的电离能（9.39 eV）大于铜元素的电离能（7.72 eV）而造成的。实验数据证实激光诱导的紫铜和黄铜等离子体满足局部热力学平衡模型和光学薄模型。     

纳秒激光诱导紫铜黄铜等离子体特征参数的对比研究

基于1064 nm Nd:YAG激光器,对比研究了紫铜和黄铜等离子的特征参数。洛仑兹函数拟合Cu I 324.75 nm得到紫铜和黄铜等离子体的电子密度分别是3.61017 cm-3和3.31017 cm-3。为了减小谱线自发辐射跃迁几率不确定性和测量误差带来的计算误差,采用改进型迭代玻耳兹曼算法精确求解紫铜等离子体和黄铜等离子体的电子温度分别是6316 K和6051 K,分析表明,两种等离子体特征参数的差异主要是由于黄铜中的锌元素的电离能（9.39 eV）大于铜元素的电离能（7.72 eV）而造成的。实验数据证实激光诱导的紫铜和黄铜等离子体满足局部热力学平衡模型和光学薄模型。     

重复脉冲激光辐照光学材料的热力效应

在建立高斯型重复脉冲激光辐照光学材料模型的基础上,得到了圆柱型光学材料的二维温度场和热应力的解析解.以K9玻璃为例,通过数值计算得到同条件下重复脉冲激光对光学材料的损伤阈值.研究表明：在高斯型重复脉冲激光辐照下,损伤阈值受到脉冲数目、宽度、重复频率以及脉冲激光光斑半径的影响,多数情况下K9玻璃会发生热应力损伤.     

激光诱导击穿光谱测量偏差的物理影响因素研究

为了消除LIBS实际测量光谱谱线与标准的LIBS光谱谱线间存在的差值,提高元素测量精准度,提出了针对激光诱导击穿光谱测量偏差的物理影响因素研究。实验在相同条件下,对烧蚀孔效应和光谱波长的关系进行了测试,研究了激光诱导击穿光谱高温Mg等离子体在1.00～3.00 μs范围采样延时下的斯塔克(Stark)展宽数据,从而得出烧蚀孔效应和斯塔克延时展宽等物理因素对采集光谱造成的具体影响。研究结果及方法完全可以应用于其他激光诱导击穿光谱实验系统的误差分析,这对于提高LIBS技术的物质元素测量精准度,研究LIBS技术的最佳采样延时时间,具有重要意义。     

采用激光诱导击穿光谱技术探测等离子体温度

阐述了激光诱导击穿技术的基本原理,研究了激光诱导击穿光谱技术在探测等离子体温度方面的应用,并进行了实验研究。在等离子体达到局部热平衡时,通过探测Cu的等离子体特征谱线相对强度的方法,达到用激光诱导击穿光谱技术探测等离子体温度的目的。实验结果表明,该方法方便、快捷,具有一定的实际应用价值。     

激光诱导击穿空气等离子体光谱及半经验理论模拟

利用Nd∶YAG激光器输出的1 064 nm激光进行了激光诱导击穿空气光谱实验,测量了空气等离子体的时间分辨光谱。基于局域热动力学平衡模型,建立了模拟激光诱导击穿光谱的方法。对700~900 nm波段的空气等离子体光谱进行了模拟。通过模拟结果与实验结果的比较,进一步估算出了空气中氮、氧和氩的相对含量。     

Na_2SO_4溶液激光拉曼/激光诱导击穿光谱联合探测

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、多相态、无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向,尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术,以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合,在信息获取上的互补。在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置,该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、光谱仪和探测器,前置光路分为两部分:拉曼光路和LIBS光路,分别收集Na_2SO_4溶液的拉曼信号和LIBS信号。前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪,分别在面阵CCD不同区域进行探测。利用该装置对配置的Na_2SO_4溶液进行探测,同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号。另外,随着激光能量的提高,在532nm脉冲激光能量超过3.6mJ时,在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO~(2-)_4拉曼信号,这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合,然而实验发现,随着激光能量的增加,激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升,对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。     

激光诱导煤样等离子体的表征

以脉冲Nd·YAG激光器泵浦的光学参量发生/放大器输出为激发源,获得了一种家庭用煤样品的激光诱导等离子体(laser induced plasma,LIP)发射光谱。谱线线型呈洛伦兹线型,表明等离子体加宽以Stark展宽为主。利用发射谱线的Stark展宽和强度,通过测量等离子体不同位置的发射光谱,确定了等离子体温度和电子密度的空间分布,发现二者在垂直等离子体发光火焰方向相对火焰中心对称分布,沿发光火焰方向不具有对称分布的特点。发光火焰中心的等离子体温度和电子密度最大,且发光强度较大,因此利用光谱技术测量等离子体特征量时,宜采集火焰中心的发射光谱。样品中有些元素的发射谱线线型显示,等离子体中存在很强的自吸收现象,自吸收程度和激发波长及激光能量密切相关,激发波长接近谱线中心波长时,自吸收现象最明显;随激光能量的增加,发射光谱强度增加的同时,自吸收的程度也增大。把这些现象归因于原子跃迁概率的增大及激光强度增加引起的等离子体中粒子数密度的增大。自吸收现象导致实验观测到的发射谱线强度小于LIP的真实辐射强度,对等离子体进行测量时,应选取不存在自吸收现象的谱线,以便于提高测量准确度。     

不同气压下激光诱导击穿Cu合金等离子体光谱自吸收现象研究

采用波长532 nm激光（脉宽为8 ns）诱导激发铜合金等离子体光谱,研究了激光能量分别为100,80,60和40 mJ时,常压下谱线（CuⅠ 324.754 nm）自吸收现象;在激光能量为100和40 mJ的条件下,研究了低环境压力对铜合金等离子体元素发射谱线自吸收现象和谱线特性的影响。结果表明：常压下谱线（CuⅠ 324.754 nm）存在严重的自吸收现象,自吸收程度随激光能量减小而降低。适度降低环境压强,谱线的自吸收程度大大降低,谱线的信背比增大,且在一定的低气压条件下,自吸收现象可以基本消除。在5.0×104 Pa气压下,两种能量下谱线的信背比均达到最大值,分别为8.90和8.66,相对于常压分别增大了11.23和12.62倍,此时谱线强度的相对标准偏差分别为2.9%和1.3%;两种能量下等离子体元素发射谱线的线宽随着气压的下降迅速减小,当气压为5.0×104 Pa时,等离子体元素发射谱线的线宽分别为0.08和0.06 nm,是常压下线宽的19%和20%。研究表明：低压环境能明显提高光谱分析的灵敏度和精密度,使得在分析较高含量元素时允许选择灵敏谱线,为采用LIBS技术准确测定高含量元素提供了有效方法。     

激光诱导等离子体冲击波增强水和重水晶格振动受激拉曼散射

利用532 nm的脉冲激光进行了水和重水受激拉曼散射研究,不仅实现了O—H和O—D的伸缩振动受激拉曼散射,同时还实现了晶格振动的受激拉曼散射。水在激发光能量为130 mJ时出现低频受激Stocks和Anti-Stoks 313 cm-1谱线;重水在激发光能量为160 mJ时出现低频受激Stocks和Anti-Stoks 280 cm-1谱线。利用激光诱导等离子体解释了这种拉曼散射增强模式。     

激光诱导Ni等离子体特性的研究

以Nd·YAG激光器的二倍频输出作为激发源,获得了激光诱导Ni等离子体的发射光谱,基于发射光谱,对等离子体电子激发温度和电子密度进行了测量,其典型值分别为3 714 K,4.67×1016 cm-3。测量了等离子体电子激发温度和电子密度的空间分布,发现沿垂直于激光传播方向的径向,随到中心点距离的增加,等离子体辐射的强度减小,但线型和线宽不变,表明等离子体电子激发温度和电子密度沿径向均匀分布。沿激光传播方向,随到样品表面距离的增加,等离子体辐射强度、电子激发温度和电子密度先增加后降低,在距样品表面1.5 mm处,达到最大值。采用激光诱导击穿光谱技术进行相关探测时,收集距离样品表面1.5 mm处的发射谱,有利于提高探测灵敏度。