二元激光等离子体的时空演化机制研究

由于等离子体是激光诱导击穿光谱(LIBS)的光谱源,其内部粒子的分布结构将直接影响LIBS谱线的信噪比,因此研究等离子体粒子分布结构和动态膨胀过程对提高LIBS的定量测量精度具有指导意义。利用时间、空间、波长分辨的双波长差分成像技术分析激光诱导铝锡合金产生的二元等离子体,获取等离子体内各态粒子发射率的时空分布图像,以期探索不同激光支持吸收波(LSAW)类型的等离子体内各态粒子时空分布结构的演化机制。实验通过低、高激光辐照度的脉冲激光,分别构建了激光支持燃烧波(LSCW)和激光支持爆轰波(LSDW)型等离子体。通过观察等离子体的形态、内部结构、粒子分布、粒子寿命,结合元素的物理性质及谱线属性,分析了激光与金属及等离子体之间的相互作用,形成了二元激光等离子体的时空演化机制。结果表明：(1)激光辐照度会改变等离子体的粒子分布结构;(2)低辐照度激光诱导产生的LSCW型等离子体内部有明显的层状分布,激光主要吸收区位于蒸汽等离子体,此时粒子的寿命较短,分布结构主要依赖于元素熔点,低熔点元素会先从难混溶合金表面熔化并析出,分布于蒸汽等离子体顶部;(3)高辐照度激光产生等离子体的传播模型为LSDW型...     

超短脉冲激光产生等离子体通道寿命研究

利用强飞秒激光在大气中产生等离子体通道内带电粒子的动力学模型,综合考虑二体吸附、三体吸附、离解和复合等因素,分析后续激光退吸附作用对等离子体通道寿命的影响,给出有效延长通道寿命的后续激光控制参量。计算表明,选择不同的激光注入形式和注入时间,对通道寿命的延长有着不同的效果,适当优化的激光可以延长通道寿命达25 s以上。     

超短脉冲激光产生等离子体通道寿命研究

利用强飞秒激光在大气中产生等离子体通道内带电粒子的动力学模型,综合考虑二体吸附、三体吸附、离解和复合等因素,分析后续激光退吸附作用对等离子体通道寿命的影响,给出有效延长通道寿命的后续激光控制参量。计算表明,选择不同的激光注入形式和注入时间,对通道寿命的延长有着不同的效果,适当优化的激光可以延长通道寿命达25 s以上。     

外加静电场下激光诱导等离子体特性的实验研究

在外加静电场下，准分子激光诱导等离子体中Ｍｇ原子５５２．８４、５１６．７３、４７０．３０ｎｍ三条发射谱线展宽的时间分辨特性的实验研究，实验测定结果表明，外加静电场导致了原子发射谱线展宽超过Ｓｔａｒｋ展宽，这种额外展宽的大小在０．１ｎｍ左右，其中４７０．３ｎｍ谱线的加宽和线移最大，采用量子理论计算表明这种额外展宽是由于在外电场中作用下作定向运动的电子与激发态原子碰撞所致。     

激光等离子体通道天线的电磁散射特性分析

激光等离子体通道天线被等效为电子在横向旋转、轴向漂移的均匀冷磁化等离子体束,且该等离子体束的横截面为沿轴向不改变的圆形。在考虑离心力、科里奥利力等惯性力的影响下,结合麦克斯韦方程和本构关系,得出了激光等离子体通道天线的散射场。为了简化,计算了一特例,发现了一些有趣的现象。     

激光支持等离子体爆轰波温度的实验测量

 高能量激光聚焦空气产生等离子体,等离子体进一步吸收激光能量会形成激光支持等离子体爆轰波。等离子体爆轰波温度是表征爆轰波的一个重要参数,研究等离子体爆轰波温度对于深入了解激光支持等离子体爆轰波形成机理有重要意义。分析了激光聚焦空气形成等离子体爆轰波过程和影响等离子体爆轰波温度的主要因素。采用多通道瞬态光学高温计,测量了不同激光发射能量下空气中形成的激光支持等离子体爆轰波的辐射强度,获得了一系列等离子体爆轰波温度动态变化曲线。测量结果表明：等离子爆轰波温度在随时间演化过程中出现3个峰,最高温度在7 000～10 000 K范围内;激光能量与等离子体爆轰波温度没有明显的相关性。     

激光诱导铝等离子体中原子和离子组分膨胀特性

为了了解等离子体中原子与离子组分的膨胀特性及背景气体存在状态下其运动状态的改变规律,设计了一系列实验,并进行了深入探究.采用波长为532 nm的纳秒激光剥蚀铝样品形成等离子体,并使用配有em ICCD检测器的C-T型三光栅单色仪对等离子体进行时序采集,同时使用2400 g·mm~(-1)的光栅替代窄带滤光片进行不同组分成像诊断,得到铝等离子体中Al Ⅰ (396.1 nm), Al Ⅱ (466.3 nm), Al Ⅲ (447.9 nm)的光谱分辨图像.在不同背景气压下采集了等离子体各组分光谱图像,探究背景气体对等离子体演化的影响.结果表明,在等离子体形成过程中,离子组分相对于原子组分分布在羽流前端,且角度分布较小.原子与离子组分的真空膨胀速度均处于10~4m·s~(-1)量级.等离子体中离子组分的运动速度较高,且其运动速度随着离子价态的增加而增大,但在本实验使用的能量密度范围下,随激光能量的变化波动不大.中性原子的运动速度较慢,但随能量的增加而增大.随着膨胀过程的进行,各组分羽流沿样品表面法线方向推进且发射强度逐渐降低,对应的羽流密度和温度也相应降低.环境气压逐渐增大时,各研究组分运动状态与在高真空度下时有明显区别.在气压大于1 Pa后,等离子体与环境气体发生相互渗透,膨胀前端出现的晕影,产生扰动,发生束缚缓速.且等离子羽因气压增大而收缩、与背景气体的碰撞概率增加,使得羽流发射强度加强,等离子体的寿命随之延长.提出的新颖诊断方法与实验所得结果可为等离子体组分动力学过程的研究提供参考.     

空气中单个激光等离子体通道的形成条件

利用皮秒和飞秒激光研究了激光在空气中聚焦产生单个等离子体通道的条件.研究发现，能量为8—12mJ皮秒激光被焦距为15cm的透镜聚焦后，可以产生较为稳定的单个通道.通过横向纵向阴影成像分析发现，通道的管壁对聚焦产生的自发光具有箍缩作用，而通道内部却有利于光的传输.同时还发现，当采用短焦距透镜时，能量低于10mJ的飞秒激光在空气中较易形成单个等离子通道. 关键词： 等离子体通道 皮秒激光 飞秒激光 阴影成像     

大气中激光等离子体通道寿命的延长及测量分析

介绍了一种反卷积方法.利用该方法分析了实验中测得的等离子体通道的光电信号特征，获 得了空气中等离子体通道的真实寿命.还证明了利用双脉冲激光结构，可以将等离子体寿命 延长近5倍. 关键词： 反卷积 大气激光等离子体通道 等离子体寿命     

等离子体通道中的自生磁场

研究了超短脉冲强激光在等离子体通道中传播时产生的自生磁场．利用相对论动量方程和泊松方程及安培定律得出自生磁场的一个基本公式，在此基础上解析并数值研究了通道中产生的自生磁场的特性和结构，初步探讨了超短脉冲强激光在等离子体中传播时形成的排空效应对自生磁场的影响，并分析了产生自生磁场的机制 关键词：     

150 fs~10 ps脉宽下熔石英激光损伤的仿真与分析

基于约化电子数密度增长速率方程,建立了熔石英导带电子数密度随脉冲持续时间变化的模型。利用电子数临界密度这一概念,得到了150 fs~10 ps脉宽下,熔石英激光损伤阈值范围。分析表明,5~10 ps,雪崩电离仍然起主要作用,而光致电离提供的初始电子使雪崩电离不再依赖材料原有的初始电子;当脉宽减小到约为4 ps时,光致电离与雪崩电离作用相等;之后,光致电离起主要作用。通过仿真出的损伤阈值拟合,得到了该脉宽区间下新的脉宽定律：熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.38次方;考虑温度对熔石英损伤阈值的影响,熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.34次方。     

液体中激光等离子体冲击波波前传播特性研究及测试

将空气中球对称冲击波衰减波前传播公式推广到非完全中心对称情况，根据对光学阴影法对激光等离子体冲击波波前测试数据的计算分析，提出液体中点源激光等离子体冲击波旋转椭球面波前传播公式.并且用声学方法对水中和酒精中的激光等离子体冲击波波前进行实验测试，结果表明测试结果与计算公式相吻合. 关键词： 激光 等离子体冲击波 旋转椭球面     

激光与介质薄膜作用过程的等离子体诊断

本文对YAG激光诱导介质薄膜产生的等离子体采用Mach-Zehnder干涉仪及光延迟装置进行时间序列分辨多幅干涉记录,并对序列干涉图进行电子密度及等离子体冲击波速度的计算.首次得到脉宽为15ns的1.06μm激光与介质薄膜作用在150ns以内的有关结果.     

透镜到靶材的距离对脉冲激光诱导等离子体的影响机理研究

采用高功率抽运调Q激光器分别在真空和空气中烧蚀Ti-Al合金靶材激发等离子体,研究了在不同气体压强下透镜到靶材的距离对等离子体参数的影响机理对于焦距为111mm的聚焦透镜,当透镜到靶材距离小于透镜焦距时,随着距离逐渐接近焦距,真空和空气中电子温度、电子密度和谱线强度均逐渐增强.当透镜到靶材距离大于透镜焦距时,真空中,电子温度和电子密度仍然继续升高,而谱线强度却变化不大.空气中,等离子体参数却有不同的演化特性:等离子体的电子温度、电子密度和谱线强度在透镜到靶材距离为107 mm时达到最大值,当距离继续增大时,均呈现出迅速下降的趋势,当透镜到靶材距离大于112mm时,电子温度和电子密度又有明显上升,特征谱线强度却大幅下降.     

飞秒激光在石英玻璃中诱导微爆炸的理论研究

利用有限元方法建立了二维模型，研究了飞秒激光作用下石英玻璃中导带电子的产生、激光 能量的沉积、导带电子和能量扩散等微观过程. 计算了导带电子扩散引起的局部净电荷及其 形成的静电场分布，初步揭示了微爆炸的演化过程. 关键词： 雪崩击穿模型 微爆炸 飞秒激光 有限元方法     

预处理对355 nm激光作用下熔石英损伤增长的影响

测试了经化学蚀刻、紫外激光预处理及其共同处理后的熔石英355 nm激光损伤阈值;研究了处理前后其损伤斑面积随激光辐照脉冲数的增长情况。结果表明,处理后熔石英355 nm激光损伤阈值得到了提高,且损伤斑面积增长变慢。利用CO2激光对熔石英表面损伤点进行了修复处理,修复后的损伤点R-on-1抗损伤阈值和基底阈值相当,损伤增长得到有效抑制。     

预处理对355nm激光作用下熔石英损伤增长的影响

测试了经化学蚀刻、紫外激光预处理及其共同处理后的熔石英355 nm激光损伤阈值;研究了处理前后其损伤斑面积随激光辐照脉冲数的增长情况。结果表明,处理后熔石英355 nm激光损伤阈值得到了提高,且损伤斑面积增长变慢。利用CO2激光对熔石英表面损伤点进行了修复处理,修复后的损伤点R-on-1抗损伤阈值和基底阈值相当,损伤增长得到有效抑制。     

等离子体气动激励控制激波的机理研究

针对等离子体气动激励控制激波的热效应机理和电离效应机理的争议,分别采用热阻塞模型和离子声波模型,理论推导出了不同机理前提下电弧等离子体对尖劈斜激波的影响规律.对于热效应机理,激波变化规律是激波起始点前移、形状不弯曲以及角度减小;对于电离效应机理,激波变化规律是激波起始点仍维持在尖劈前缘点处、形状分为两段发生弯曲以及起始段的角度增大.针对该对立的理论推导结果,进行了电弧等离子体控制尖劈斜激波的超声速风洞实验研究,实验观察到尖劈斜激波起始点前移4 mm,激波角度减小8.6%,激波形状未发生弯曲.以热效应机理为前提推导出的理论结果与该实验结果相符,从而验证了等离子体气动激励控制激波是热效应机理在起主要作用. 关键词： 等离子体气动激励 激波 热效应 电离效应     

Mechanism of UV laser-induced absorption in fused silica fibers

Abstract

An alteration of absorption spectra of fused silica fibers under delivery of high-power (ultraviolet) UV laser radiation (4th harmonic of the Nd:YAG laser, wavelength 266 nm) was studied in comparison with their photoluminescent properties. Tested fibers were produced by various technologies based on PMCVD methods. The nature of defects responsible for UV absorption in fibers and the mechanisms of their photogeneration are discussed.