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.     

基于飞秒激光引导高压放电的SF6分解物原位检测

气体绝缘开关设备(GIS)绝缘缺陷引发的放电会导致SF₆分解,分解产生的低氟硫化物与设备内的微量H₂O和O₂反应生成具有腐蚀性的物质,影响设备正常运行,因此,研究SF₆分解机理对GIS的安全运行具有重要意义。由于部分分解物在采样过程中发生转化,因此,实现SF₆分解物的原位检测对于研究SF₆分解机理是十分必要的。采用飞秒激光引导高压放电实现了高压放电空间和时间的精确控制,并利用飞秒激光引导高压放电产生的空间分辨光谱实现了SF₆分解物的原位测量。首先研究证明了飞秒激光不会引起SF₆的分解;其次,利用飞秒激光产生的等离子体通道实现了放电空间和时间的精确控制;最后,发现分解物中包含由于高能电子碰撞直接或间接产生的大量S和F的离子和原子。研究证明了基于飞秒激光引导高压放电可以实现SF₆分解物的原位检测,为开展高压放电下SF₆分解机理研究提供了一种新的研究手段。     

激光诱导Ni 等离子体电子温度、电子密度的时间演化特性研究

本文在350～600 nm波长范围内测定了激光烧蚀Ni等离子体中Ni原子的时间分辨发射光谱.由发射光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体电子温度和电子密度,并由实验结果讨论了激光等离子体中电子温度、电子密度的时间演化特性.     

飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究

对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律. 关键词： 飞秒激光 脉冲激光烧蚀 等离子体 发射光谱     

激光烧蚀金属Al诱导发光的动力学研究

利用时间分辨的光谱测量技术,测定了XeCl紫外激光在不同条件下烧蚀金属Al诱导产生光谱线及其强度随时间的分布.结果表明：等离子体辐射光谱线由原子光谱线、一价离子光谱线及连续辐射背景光组成.Al原子光谱线的辐射强度与持续时间为最大,一价离子光谱线次之,以连续辐射背景光为最小.对激光烧蚀金属诱导发光的机理进行了探讨.等离子体中连续辐射背景光来自高能电子的韧致辐射和电子与离子的复合,原子光谱线和一价离子光谱线主要来自等离子体中电子与离子的复合.用此机理定性地解释了所观察到的实验现象. 关键词： 激光烧蚀 时间分辨光谱 辐射机理 金属Al     

AlO电子光谱带系振动结构的研究

在高校的近代物理实验中双原子分子光谱的实验,多用CO、C_2放电管作为光源,或用纯碳棒在空气中激发而产生CN光谱。前者曝光时间较长,后者谱带较少。我们用纯铝棒在空气中用交流电弧光源激发,在可见光波段得到AlO的带状光谱,使用小型棱镜摄谱仪用于实验教学,效果较好。 AlO双原子分子在3000K—4000K形成,因此,Coheur F.P.等人曾利用AlO带状光谱来测量电弧温度。西德气体放电光谱学专家W.Lochte-Holtgreven于1980年在复     

激光诱导击穿光谱技术定量分析SF_6中的痕量O

六氟化硫(SF_6)气体因其优良的绝缘和灭弧性能,被广泛应用于高压绝缘设备中。然而,当存在H_2O和O_2等杂质时,SF_6气体在局部放电等作用下分解成的低氟化物会进一步与杂质发生反应生成稳定的氟硫氧化物和氢化物,使得设备绝缘性能下降,危害电网安全,因此检测和分析SF_6中微水、微氧及其分解产物具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱技术测量了SF_6中的痕量O含量。利用CaF2作为窗口材料,解决了窗口材料在不断腐蚀作用下引起的激发能量逐渐衰减以及窗口材料与SF_6气体击穿产物反应引入的污染影响测量结果的问题,消除了由激发条件改变引起的等离子体状态的变化;通过测量不同O含量的SF_6气体激光诱导击穿光谱,结合迭代小波分析对实测光谱进行基线校正和降噪处理,通过定标曲线获得了O元素检测限为38ppm。利用偏最小二乘法建立了稳定的定量分析模型,改善了定量分析模型的稳定性和精度。     

紫外激光烧蚀Cu产生等离子体辐射特性

通过时间分辨的光谱测量技术,测定了308 nm XeCl紫外激光烧蚀金属Cu在氮气环境中诱导产生等离子体的发射光谱及其强度随时间分布,实验结果表明等离子体辐射光谱线主要由原子光谱线、一价离子光谱线及连续辐射背景光组成,各种光谱线的数目、辐射强度、持续时间不同。结合实验结果对等离子辐射机理进行了探讨,认为电子通过逆韧致辐射获得较高的能量,连续辐射主要来自高能电子的韧致辐射,原子和一价离子的激发主要是通过电子与原子、离子的碰撞传能以及电子与离子的复合产生,并用其定性地解释了所观察的实验现象。     

大气感耦射流等离子体加工中的电子温度及激发光谱研究

大气感耦射流等离子体加工作为新型超光滑表面加工技术,其高密度等离子体激发能力为充分激发反应气体,提高材料去除率提供了有力条件。利用发射光谱仪,对加工过程中大气感耦射流等离子体激发的400~1 000 nm范围内的光谱进行了测量。并利用峰值明显,能级差较大的谱线计算电子温度。由于测量的谱线强度是等离子体发射系数沿弧长方向的积分值,且感耦射流等离子体具有回转对称性,因此可利用阿贝尔变换求取光谱发射系数,进而通过玻尔兹曼图谱法计算电子温度。计算结果表明由于趋肤效应和旋流进气的双重作用,处于加工区域的温度分布呈现出双峰形;随着距离增大,双峰效应逐渐减弱,温度分布趋于平滑。研究也表明随着加工距离的增大,等离子体边缘逐渐偏离局部热力学平衡状态,玻尔兹曼图谱法计算电子温度的适用性降低,导致等离子体边缘的温度拟合优度值逐渐降低。进一步对通入反应气体CF₄后的等离子体光谱进行了研究,通入反应气体后的等离子体呈现鲜亮的蓝绿色,是由于激发反应气体后产生的位于400~650 nm范围的带状光谱所致,分析表明谱图中的带状光谱为双原子分子C₂谱带Swan Bands,而该双原子分子是感耦氩等离子体对碳源CF₄的充分激发产生。     

激光大气等离子体时间演化特性的光谱研究

采用延时光谱法和谱线演化法 ,对YAG脉冲激光器 1 0 6 μm光束击穿一个大气压的空气所产生的等离子体进行了时间分辨光谱研究。对激光大气等离子体连续光谱的短波带与长波带分别进行了时间分辨测量 ,结果表明两者的衰变速率均在等离子体激发约 0 5微秒以后明显变慢。分析认为这种衰变速率的变慢可能与空气中氧对自由电子的吸附与去吸附有关。对激光大气等离子体线状光谱所作的时间分辨测量则表明 ,大部分线状光谱的演化寿命大于其标称寿命 ,部分线状光谱还呈现“衰变—增涨—衰变”的复杂形式。分析认为线状光谱的这些演化特征可能与等离子体在衰变期间的各种复合过程和能量转移过程有关。     

激光诱导铜等离子体中激发态4d′~4F_(9/2)的瞬态特性

利用时间分辨光谱技术,研究了激光诱导Cu等离子体中激发态4d′4F9/2的形成及其辐射跃迁的瞬态特性。结果表明:电子离子复合、粒子间碰撞、自蚀吸收等过程在等离子体不同演化时刻,对激发态4d′4F9/2原子的制备起着不同作用。粒子间碰撞作用剧烈时,激发态4d′4F9/2原子以相同几率向低能态4p′4Do7/2及4p′4Fo9/2跃迁转移能量;等离子体辐射约500 ns后,粒子间相互作用变弱,激发态4d′4F9/2原子主要通过辐射谱线CuⅠ359.91 nm转移能量。     

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采用光学多通道分析仪等设备对532nm YAG激光诱导产生的Al等离子体光谱进行了时空分辨测量,得到了等离子体时空分辨光谱。利用局部热平衡(LTE)模型和谱线的Stark展宽计算得到了等离子体电子温度和电子密度的时空演化曲线,获得了与文献[9～11]一致的结果。     

发射光谱法在等离子体刻蚀废气微量F元素检测中的应用研究

以CF4Ar为等离子体刻蚀废气的模拟气体 ,利用发射光谱法分析F。含氟废气中 F原子的发射光谱在6 0 0— 80 0 nm波段内的谱线为 6 97.5 nm和 739.5 nm。研究了电感耦合等离子体放电时射频功率对F元素检测的影响 ,表明提高射频功率可降低 F元素检出限。     

飞秒激光诱导铝等离子体时间分辨光谱研究

在大气环境下利用中心波长800nm、脉宽为30fs的激光聚焦在铝靶上,测定了激光诱导铝等离子体中铝原子的时间分辨发射谱。在局部热平衡条件近似下,根据实验测定的谱线相对强度得到了等离子体的电子温度;研究了激光脉冲能量对等离子体电子温度的影响和等离子体电子温度的时间演化特性。同时,实验发现了394.4nm和396.1nm两条铝原子谱线存在较强的自吸收效应,实验结果表明随着激光脉冲能量的减少和延时的增加,自吸收现象逐渐消失。     

激光诱导氮气等离子体时间分辨光谱研究及温度和电子密度测量

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种重要的分析手段被广泛应用于材料分析、环境监测等领域.特别是随着大气污染问题的日趋严重,基于LIBS的大气污染在线监测分析技术快速发展,氮气等离子体特性的时间演化规律对研究激光诱导大气等离子体动力学和发展大气污染监测的LIBS技术具有重要意义.而温度和电子数密度作为表征等离子体状态最重要的参数,直接影响着等离子体形成、膨胀和退化中的动力学过程以及等离子体中的能量传输效率.本文利用等离子体时间分辨光谱,研究了连续背景辐射、分子谱线强度及信背比(分子谱线与连续背景辐射的比值)在等离子体演化过程中的变化规律,结果显示连续背景辐射寿命在700 ns左右,N_2~+(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+,v:0-0)跃迁谱线强度在12—15μs范围内达到最大值,信背比随时间呈现上升、稳定的趋势,因此利用N+2分子离子第一负带系(B~2Σ_u~+-X~2Σ_g~+)研究等离子体温度的观测窗口应选择在10—25μs之间;基于双原子光谱理论,通过拟合实测光谱和仿真光谱研究了大气压下激光诱导氮气等离子体温度随时间的演化趋势,由于辐射损耗远小于碰撞作用,在10—28μs内等离子体温度从约10000 K按指数衰减到约6000 K;在准确测定仪器展宽线型的基础上,利用Nelder-Mead单纯形算法,研究了N原子746.831 nm谱线的Stark展宽和位移随时间的演化趋势,计算了等离子体中电子数密度随时间在10~(17)—10~(16)cm~(-3)量级间衰减,通过分析发现造成等离子体中电子数衰减的主要机理是三体碰撞复合.     

激光诱导Co等离子体电子温度的时间空间演化特性研究

本文在380～500 nm波长范围内测定了激光烧蚀Co等离子体中Co原子的时间和空间分辨发射光谱.由发射光谱线的强度和Stark展宽分别计算了等离子体电子温度和电子密度,并由实验结果讨论了激光等离子体中电子温度的时间和空间演化特性.实验结果表明,当延时在100～1000 ns范围内变化时,相应的电子温度Te范围为8000～25000 K;当距离靶表面0～1.8 mm范围内变化时,相应的电子温度Te范围为13000～25000 K,电子温度在激光束方向上的分布具有很好的对称性.     

大气压氩气微放电通道中电子激发温度的时间演化

利用双水电极介质阻挡放电装置，采用光谱方法测量了大气压氩气介质阻挡放电微放电通道 中的电子温度的时间演化.选取波长为69654nm(2P₂→1S₅)，763 51nm(2P₆→1S₅ )，77242nm(2P₂→1S₃)的氩原子谱线进行了时间分辨测量.实验 发现在放电期间，电 压波形开始下降，在放电熄灭后又开始上升.高能级为2P₂的跃迁（77242nm和 69654nm ）比2P₆的跃迁76351nm要延迟几十ns.根据其时间分辨谱，估算了微放电中的 电子激发 温度的时间演化，结果表明，电子激发温度并不是一个恒定值，而是随时间变化的.当放电 电流达到最大值，即电子密度达到最大值时，其电子温度并未达到最大值，而经过200ns 后 才达到最大值. 关键词： 大气压介质阻挡放电 发射光谱 电子激发温度 微放电通道     

低真空时激光诱导Al等离子体辐射分析

用Nd :YAG激光烧蚀Al靶获得等离子体 ,激光脉冲能量为 145mJ·pulse-1,光源中通入Ar气作保护气体 ,压强为 10 0Pa。利用时间分辨技术获得纳秒级时间分辨光谱。分析了等离子体连续辐射、连续辐射的吸收、Al原子谱线辐射的时间演化规律 ,并进行了简短的讨论。结果发现 ,低真空时激光诱导Al等离子体的连续辐射、连续辐射的吸收、Al原子谱线辐射的时间演化规律以及它们之间的相互关系 ,与常压时的情况十分相似     

CO2激光锡等离子体极端紫外及可见光光谱

利用CO2激光烧蚀锡靶产生等离子体,当入射到靶面的单个脉冲能量为400mJ,半峰全宽(FWHM)为75ns时,使用光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)采集了等离子体的时间分辨光谱。在局域热平衡假设下,利用谱线的斯塔克展宽和五条Sn II谱线的相对强度计算并得到了等离子体电子密度、电子温度和辐射谱线强度随时间的变化规律;利用掠入射极端紫外平场光栅光谱仪,结合X射线CCD同时探测了光源在6.5～16.8nm波段的时间积分极端紫外辐射光谱。实验结果表明:激光点燃等离子体早期的100ns内有很强的连续谱,此后才能分辨出明显的原子和离子线状谱。在延时0.1～2.0μs的时间区间内,等离子体中的电子温度和密度分别在2.3～0.5eV和7.6×1017～1.2×1016 cm-3范围内,均随时间经历了快速下降,然后再较缓慢下降的过程。激光锡等离子体极端紫外不可分辨辐射跃迁光谱峰值中心位于13.5nm,FWHM为1.1nm。     

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.