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。     

长脉宽激光诱导击穿土壤等离子体的光谱特性研究

采用长脉宽激光(500 μs)作为激发光源,研究了长脉宽激光在低能量密度条件下诱导击穿土壤等离子体的光谱特性。实验发现,在长脉宽激光的激发下等离子体光谱特性与纳秒及超短脉宽激光相比存在较大的差异,在402~409 nm波段和420~436 nm波段,土壤等离子体光谱均没有出现强烈的连续背景辐射阶段,所激发产生的等离子体发光寿命可持续220~270 μs。特征谱线PbⅠ405.78 nm和CrⅠ425.43 nm分别在210和190 μs时出现,且谱线强度均随时间延长而逐渐增加,分别在延时320和350 μs时达到最大值。研究结果表明,采用长脉宽激光作为激发光源,增加了激光与物质相互作用的时间,有助于激发形成发光时间较长的“准稳态等离子体”;应用内标法建立了Pb和Cr元素校准曲线,8次重复实验得到分析线与内标线净信号强度比值的相对标准偏差为2.21~6.35%,长脉宽激光激发产生的等离子体发光稳定;计算得到土壤中Pb和Cr元素的检测限分别为34.7和40.0 mg·kg-1,达到国家土壤环境质量标准规定的一级含量要求;长脉宽激光激发产生等离子体的电子温度为6 612 K,电子密度为3.7×1017 cm-3,达到了局部热平衡状态。     

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.     

激光等离子体效应对薄膜损伤特性的影响

高能激光的发展对光学元件的抗损伤能力要求越来越高,其中光学薄膜是最薄弱的环节之一。实验研究了激光的聚焦位置对石英基片上HfO2/SiO2减反射薄膜损伤形貌的影响,研究发现:激光等离子体的高压冲击波对薄膜产生强烈的冲击剥离效应,其压强随膨胀半径的增加而迅速减小。激光等离子体光谱的辐射波长小于入射激光波长,这会增强薄膜对辐射光能量的吸收;位于深紫外波段、能量大于HfO2薄膜带隙的光子能量,将被薄膜直接吸收,从而加剧薄膜的电离破坏。激光等离子体的辐射效应和冲击波效应的共同作用决定了薄膜的损伤形貌。当激光聚焦到薄膜表面时,冲击波压强极大会使薄膜发生大面积的电离去除,同时基底发生击穿;当两者距离大到一定距离时,冲击波只会使得中心处小面积薄膜发生剥离,基底未出现断裂。     

空气中激光等离子体冲击波的传输特性研究

根据球形对称冲击波在自由空间中传播的约束条件,提出了空气中激光等离子体冲击波在中远场的传播公式.并用探针式超声换能器实测了能量为10-110mJ、脉宽为15ns、波长为106μm的Nd∶YAG激光作用于铝靶表面产生的等离子体空气冲击波,用此公式计算的结果与实验数据符合得很好 关键词：     

脉冲激光辐照氮化硅陶瓷损伤阈值的光谱测量

氮化硅陶瓷具有耐高温、耐腐蚀和耐磨损等优异性能, 可应用于金属材料和高分子材料难以胜任的极端工作环境。但具备这些优良特性的同时也给其加工带来了不便,传统的磨削加工方法效率低,设备损耗严重, 激光辅助加工为其提供了一种新途径。将等离子体光谱法和显微成像法相结合,对脉冲激光辐照氮化硅陶瓷的损伤阈值进行了测量,并分析了损伤机理。实验选用热压烧结氮化硅陶瓷为靶材,参考ISO21254国际损伤阈值测试标准搭建试验系统,采用1-on-1法利用Nd3+∶YAG固体脉冲激光分别在纳秒和微秒脉宽下辐照氮化硅陶瓷,两种脉宽分别选取10个能量密度梯度进行激光辐照,每个能量密度辐照10个点。利用光纤光谱仪采集光谱信息,利用金相显微镜获取显微图像信息,将光谱结果与显微成像结果对比分析, 发现纳秒脉宽下材料一旦损伤光谱上就会出现等离子体峰,通过分析光谱中等离子体峰,元素指认是否含有材料中特征元素即可判断损伤,为了区别空气电离击穿同时测量了空气等离子体光谱对比分析剔除干扰。微秒脉宽下显微图像观察到刚开始损伤时,光谱中只出现较强热辐射谱线并未出现等离子体谱线,进一步增加激光能量密度,光谱中会出现少量等离子体峰,因此不能直接以等离子体峰判断材料损伤阈值。利用金相显微镜观察损伤形貌,纳秒脉宽下在损伤区域内部观察到明显的烧蚀冲击状损伤,光谱呈现出大量等离子体谱线,说明纳秒激光辐照氮化硅损伤机制主要为等离子体冲击波引起的力学损伤效应。微秒脉宽在辐照区域边缘发现热烧蚀痕迹,损伤区内观察到大量熔融物,出现明显热辐射光谱,说明微秒激光辐照氮化硅损伤机制主要是由于长脉宽热积累引起的热损伤效应,随着能量密度增加热辐射谱上叠加有等离子体峰,等离子体峰值强度与损伤程度一致。利用零几率损伤阈值法对两种方法测得结果进行了拟合,分析发现等离子体光谱法更适用于纳秒脉宽下损伤阈值测量,得到结果为0.256 J·cm-2;显微成像法适用于微秒脉宽下损伤阈值测量,得到结果为6.84 J·cm-2。     

激光等离子体效应对硅表面损伤特征的影响

硅材料作为光电探测器的基础材料,研究其在强激光辐照下的损伤问题在激光探测、国防领域很有意义。对高强度纳秒激光作用下硅表面的损伤形貌特征进行了研究,结果表明:激光等离子体的热效应及冲击波效应,使激光作用区域内的物质迅速向外飞溅,形成点坑,并在点坑周围形成辐射状冷却物;散射光与入射激光干涉产生形成周期性分布的热应力使得硅材料表面张力发生变化,冷却后会在坑底表面产生周期性结构;从激光等离子体的光谱中可以发现N,O和Si的特征光谱,在重复激光脉冲作用下会在硅表面上覆盖一层导致色变的SiOx和SiNx复合薄膜,是激光等离子体的喷射产物。     

脉冲高能量密度等离子体材料表面改性及其应用

脉冲高能量密度等离子体（pulsed high energy density plasma, PHEDP）是一项新的材料表面改性技术.它集高电子温度、高能量密度、高定向速度于一身,在制备薄膜时具有沉积薄膜的温度低、沉积效率高、能量利用率高的优点,并兼具表面溅射、离子注入、冲击波和强淬火效应等综合效应;它可以制备纳米晶或非晶硬质薄膜,提高基底材料的表面硬度和耐磨、耐蚀性能;能够实现非金属材料表面金属化,所制备薄膜与基底之间存在很宽的混合过渡区,因此膜/基结合良好.文章主要介绍了作者近年来在该领域的部分研究成果,简要介绍了脉冲高能量密度等离子体的原理、特点及应用.分析了脉冲等离子体与材料相互作用的基本物理现象.     

飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性

由于飞秒激光脉冲宽度小于靶材电子—晶格热弛豫时间,飞秒激光烧蚀靶材过程以及诱导击穿产生的等离子体膨胀动力学过程与纳秒激光作用过程不同,因此研究飞秒激光诱导等离子体发射光谱特性对于研究飞秒激光烧蚀机制以及飞秒激光诱导等离子体的膨胀动力学过程非常重要。Ge材料是一种常用的中远红外探测器以及光学元器件材料,对中心波长为800 nm,脉宽为50 fs的激光脉冲烧蚀空气中Ge靶材产生的等离子体发射光谱强度的时间和空间演化规律研究,并探讨了飞秒激光脉冲能量对等离子体发射光谱强度的影响规律。实验结果表明在等离子体羽膨胀初期,飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱主要由线状光谱和连续光谱构成,在200 ns时间内连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位。通过探测Ge等离子体的时间分辨发射光谱,随着等离子体的快速膨胀,等离子体发射光谱强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化,在335 ns达到最大。通过探测Ge等离子体的空间分辨发射光谱,随着距离Ge靶材表面的位置增加,等离子体发射光谱强度随远离Ge靶材表面距离增加呈现先增加后下降变化,在0.8 mm位置达到最大。由于存在等离子体自吸收机制,等离子体发射光谱...     

激光入射双层等离子体靶产生的表面等离子体波及应用

表面等离子体波的存在可以显著改变激光与等离子体的耦合效率,这在激光驱动粒子加速、强X射线产生、温稠密物质态等领域研究有重要应用.本文利用二维粒子模拟程序,研究了强激光入射双层等离子体靶激发的表面等离子体波.模拟结果表明,不同于单层靶情形,大角度入射的强激光脉冲达到一定强度阈值后,可驱动等离子体表面中的电子形成周期结构,激发静电波,其波长与入射波波长相近,传播速度接近光速;表明双层等离子体更有利于表面波的激发,传播范围更大;双层靶的表面波强度与入射激光强度的比值明显不同于单层靶的理论结果,呈现非线性关系;表面波的存在可以显著增强后续激光脉冲的透射,使后续激光脉冲突破稠密等离子体形成的“黑障”,在远高于临界密度的薄靶后被观察到.     

利用X射线激光进行激光等离子体射流的诊断

射流是激光惯性约束聚变(ICF)、天体物理学等领域中一种普遍存在的非线性现象.在实验室对射流现象进行模拟、诊断等方面的研究对于理解ICF、天体物理中的相关现象具有重要参考价值.采用纳秒激光辐照特殊形状的圆孔靶产生等离子体射流,利用波长为13.9nm的X射线激光作为光源对特定时刻的射流进行阴影成像,获得了清晰的射流阴影图像,与理论模拟结果定性一致. 关键词： 射流 X射线激光 等离子体诊断     

黑腔中等离子体相互作用的流体力学现象观测

激光间接驱动惯性约束聚变实验中,黑腔内情况复杂,在激光烧蚀和辐射烧蚀等的驱动下,光斑区、冕区、纯辐射烧蚀区、射流区的多种等离子体以不同规律运动.发展了X光双能段窄能带的时间分辨成像方法,用以观测黑腔内多种等离子体的运动情况.在真空黑腔中观测到清晰的射流,分析了射流产生机制及其速度;在黑腔中充气,能有效消除射流和抑制冕区等离子体运动,但两种物质界面处可能会出现流体力学不稳定性等现象,分析了界面处的压力平衡关系和密度陡变情况.     

对模拟年轻恒星喷流具有潜在应用的由强激光产生的等离子体喷流（英）

利用神光Ⅱ激光装置的两束激光烧蚀半圆柱壳层靶产生了高速等离子体喷流。喷流的参数由光学和X射线诊断测量。喷流是准直的,在真空中传播。一维流体力学模拟被用来间接地计算喷流的速度。喷流的准直可能来源于高Z等离子体的辐射冷却。由于和年轻恒星喷流具有某些几何相似性,实验室喷流对于在实验室中模拟年轻恒星喷流具有潜在应用。     

Diagnostics of picosecond laser pulse absorption in preformed plasma

We present results where highly supersonic plasma jets and accelerated plasma fragments are generated by interaction of an intense picosecond laser pulse with a metallic target (Al, Cu, W, and Ta) in gas atmosphere. The formation of jets and well-localized massive plasma fragments occurs when a strong forward shock from a main laser pulse and a reverse shock from a pre-pulse meet to. Interferometric and shadow graphic measurements with high temporal (100 ps) and spatial (1 μm) resolution yield information about the formation and evolution of plasma jets and plasma fragments. The excitation of the electric and self-generated magnetic field by ponderomotive force during propagation of the laser pulse in a gas atmosphere was investigated as well. It had been shown previously that under certain conditions a hollow current channel can be generated in laser-produced plasma. The azimuthal magnetic field in such a micro-channel was determined by Faraday rotation of a probing laser beam to be 7.6 MGauss (MG). Ion acceleration in a pinched annular current channel up to 8 MeV analogous to micro-“plasma focus” conditions, may be realized at lengths of 100 μm. Self-generated magnetic fields of 4-7 MG have also been measured in thin skin layers in front of shock waves, where well-collimated plasma blocks were separated and accelerated away from the plasma body. The velocity of dense plasma blocks reaches values of order of 3 × 10⁸ cm/s and they are stable during acceleration and propagation in gas.     

实验室天体物理的验证特例:W43A磁喷流

利用神光II号八路激光与平面Al靶相互作用产生双等离子体喷流.利用阿尔芬-欧拉磁流体动力学标度变换理论产生的喷流与天体环境下形成的W43A喷流进行比较.发现在实验室中直接测量的喷流物理量经过变换后,与天文观测数据极其相似,同时提出重联电场对喷流的形成与准直存在直接的影响.     

Some aspects of the plasma uptake and spectrum excitation produced by laser radiation

It is shown that the ejection of material is explosive, the material emerging as jets moving at 20 km/sec. This supersonic flow produces a shock wave in the plasma. The main source of emission by the evaporated material lies in the jets and in the zones of the shock wave, these determining the character of the spectrum. Spectra recorded with a laser show a strong continuous background, together with line broadening and reversal, as well as absorption lines. The character of the spectrum is independent of the energy density of the laser radiation, but it is very much affected by the air pressure.     

Observations of instabilities in the corona of laser produced plasmas

Using optical probing techniques plasma jets have been observed in the underdense plasma corona of targets irradiated with green laser beams. Various experimental observations have produced evidence that the jets are generated by an instability rather than by non-uniformities in the incident laser beams.     

大气压氦气多路低温等离子体射流

为了研究大气压低温等离子体多路射流阵列的放电特性,设计一个实现7路低温等离子体射流的放电装置,采用单电极放电结构,在开放的大气环境下通入氦气。采用高压窄脉冲重复频率电源激励驱动该放电装置,电源脉冲宽度约230 ns,脉冲上升沿约为120 ns。在重复频率为500 Hz的条件下,通过高速摄影初步发现放电电流脉宽约为110 ns,且无反向放电。试验结果表明:平均射流长度随电压幅值增加而增加,在一定电压幅值时射流长度有达到饱和的趋势,这是由于射流通道尾部有空气进入,电压幅值已不再是主要原因;只有在合适的气体流量值时,才能够获得较长的平均射流长度,这是由于气体流量过大或过小时射流均不足以维持形成的放电通道;此外,中心电极放电射流长度受气体流量影响较大,气体流量在一定值时可以观察到中心电极有较长的射流,射流放电强度较弱,气体流量过大或过小时中心电极几乎无放电,这是由于四周电极更易形成放电射流,削弱了中心电极放电。 ,     

Plasma jets driven by ultraintense-laser interaction with thin foils

Experimental evidence of plasma jets ejected from the rear side of thin solid targets irradiated by ultraintense (>10(19) W cm(-2)) laser pulses is presented. The jets, detected by transverse interferometric measurements with high spatial and temporal resolutions, show collimated expansion lasting for several hundreds of picoseconds and have substantially steep density gradients at their periphery. The role played by radiation pressure of the laser in the jet formation process is highlighted analytically and by extensive two-dimensional particle-in-cell simulations.     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用的数值研究

用一维粒子模拟方法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｉｎ－Ｃｅｌｌ）数值研究了超短超强激光（Ｉλ＾２〉１０＾１８Ｗ．μｍ＾２／ｃｍ＾２）与稀薄等离子体的相互作用过程，结果表明，超短超强激光与稀薄等相互作用后，在等离子体中激发起尾波和拉曼（Ｒａｍａｎ）波，它们的波长和频率的值与解析解符合得很好；同时在尾波的作用下，等离子体的部分电子被加速的很高的速度，甚至接近光速。