等离子体屏蔽和稀疏波对冲量耦合系数的影响

 利用脉冲Nd:YAG激光作用在铝、铜靶上，研究了不同入射激光能量下冲量耦合系数和离焦量之间的关系，以及不同功率密度情况下冲量耦合系数和光斑直径的关系。实验表明铝靶在入射激光脉冲能量由75.8 mJ增加到382.3 mJ时，冲量耦合系数峰值对应的最佳离焦量由－10 mm处远离焦点向透镜方向移到－18 mm，而对应的激光功率密度仅由2.0×10⁹ W/cm²增加到3.9×10⁹ W/cm²；铜靶实验规律和铝靶类似。等离子体屏蔽的吸收作用导致了冲量耦合系数达到最大值后迅速降低。铝靶在入射激光功率密度由0.7×10⁹ W/cm²增大到1.0×10¹⁰W/cm²时，冲量耦合系数随光斑直径增大而增大，对应变化斜率由5.2×10^-5N·s/（mm·J）增大到49.2×10^-5N·s/（mm·J），表明了稀疏波对冲量耦合系数的削弱作用随入射激光功率密度增加而增加，随光斑直径增大而减小。     

Al激光等离子体电子温度的时间分辨诊断

 将门控分幅相机与平面晶体谱仪耦合，构成时间分辨光谱测量系统，对Al激光等离子体的K壳层发射谱进行测量，获得了相对入射激光延迟约1ns，积累时间约200ps的光谱信号。利用稳态碰撞-辐射平衡（CRE）近似条件下的等离子体光谱辐射动力学模型，给出了Al激光等离子体Ly-β线与He-β线强度比以及Ly-γ线与He-γ线强度比与电子温度的函数关系。在此基础上，根据实验谱线强度比，得到激光强度为2.319×10¹⁴，1.937×10¹⁴和3.946×10¹⁴ W/cm²时，等离子体冕区电子温度分别为1.190(1±27%)，1.165(1±27%)和1.525(1±27%)keV。     

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。     

飞秒激光-薄膜靶相互作用中超热电子产额和激光转化效率

 在激光能量130 mJ（靶面），脉宽60 fs，波长800 nm，对比度1∶10^-6，激光与靶法线成45°夹角，P偏振，靶面激光峰值功率密度约为7.0×10¹⁷ W·cm^-2，无预脉冲的条件下，采用电子谱仪与经γ标准源标定的LiF热释光探测器（TLD）相配合，测量了飞秒激光-薄膜靶相互作用中产生的超热电子能谱。根据所测的能谱，推算出超热电子的产额和激光能量转化为超热电子能量的效率，在靶法线方向分别为1.19×10¹⁰/sr和4.55%/sr，在激光反射方向分别为1.83×10⁹/sr和0.76%/sr。结果显示，不同方向的超热电子产额和激光转化效率有所不同，原因在于激光-等离子体相互作用产生的超热电子构成各向异性的分布。     

对超短脉冲激光引雷产生的等离子体通道的特性分析

 利用隧道电离诱导闪电模型,对超短脉冲激光在大气中产生弱等离子体通道的电阻和阈值强度进行了分析和计算。结果显示：强度为10¹⁴ W/cm²量级的超短脉冲激光产生的气体等离子体通道有较好的导电性,所需激光能量很小, 说明在该模型下激光能量的利用效率很高。     

超短强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案

随着超短脉冲激光技术的发展, 人们可以在台面尺度获得光强超过10¹⁸W/cm²、脉宽小于100fs的超短脉冲激光.超短脉冲激光很容易把静止的电子加速到兆电子伏的能量. 而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波(称为激光尾波场), 后者可以在毫米空间尺度把电子加速到上百兆电子伏的能量.文章将介绍激光尾波场加速电子的物理机制和方案、这个领域的最新进展、以及目前存在的问题.     

激光功率密度对Al膜靶后表面快电子发射的影响

 报道了在20 TW皮秒激光器上完成的p偏振激光与等离子体相互作用过程中产生的快电子的角分布和能谱测量结果。实验得到：当激光功率密度小于10¹⁷ W/cm²时,电子发射没有明显定向性,在激光入射面内多峰发射;当激光功率密度大于10¹⁷ W/cm2,小于10¹⁸ W/cm²时,电子主要沿靶面法线方向发射;当激光功率密度达到相对论强度时,电子主要沿激光传播方向发射;激光功率密度未达到相对论强度时,靶后表面法线方向快电子能谱拟合平均温度符合共振吸收温度定标率;激光功率密度达相对论强度以上时,靶后表面法线方向快电子能谱拟合平均温度高于已有的温度定标率。     

超强激光与Ar团簇相互作用中X射线的研究

本文主要研究了超强超短激光与Ar团簇相互作用过程中X射线能谱、K壳层光子产额、能量转换效率以及激光对比度对X射线光子产额的影响.实验中得到K壳层的光子产额约为1× 10¹¹/发,能量转换效率约为2.8× 10^-5．同时观测到较强预脉冲离化团簇会导致预电离,产生膨胀等离子体,然而主脉冲与膨胀的等离子体相互作用的强度较未膨胀时降低了,从而导致K壳层光子产额降低,而使用高对比度的激光能增加X射线光子产额.     

射频低压等离子体电子能量分布函数的探针诊断

本文对于无内电极放电的射频低压等离子体,采用探针电流调制法,设计并建立了三探针诊断电子能量分布函数的测量系统,测量了压力在10^-3—10^-1Torr下氮气等离子体的电子能量分布函数。从理论和实验上研究了探针鞘层上射频干扰电压对测量电子能量分布函数的影响,给出了确定射频干扰值以及对射频干扰的影响进行修正的方法,并采用该方法对实验数据进行了修正,得到了正确的电子能量分布函数。根据所得到的电子能量分布函数计算的电子平均能量,与由探针伏安特性计算得到的电子平均能量相差不超过5％,该结果间接证明了本文实验测量系统的可靠性以及对射频干扰影响进行修正的正确性。     

用脉冲激光全息干涉术测量稠密等离子体电子密度分布

利用脉冲激光作为探测光源,采用全息双曝光法对激光惯性约束核聚变高温高稠度等离子体的诊断,开发了原理上全新的诊断方法.打靶主激光与探测激光实现严格同步Δt≤10^-11～10^-10s,可获得高空间分辨率Δδ≤1μm等离子体二维图象(阴影图象和干涉图象),并保证时间分辨率Δt达到10^-11s左右.记录等离子体折射率空间分布是测定密度剖面变化和计算等离子体流体动力学参量的基础.     

激光诱导Mg等离子体电子温度的实验研究

利用波长为1 064 nm,最大能量为500 mJ的Nd∶YAG脉冲激光器在室温,一个标准大气压下对Mg合金冲击,改变激光能量,得到相应的Mg等离子体特征谱线。分析谱线,发现谱线有不同的演化速率,同时得到了MgⅠ,MgⅡ离子谱线,证明此实验条件下,激光能量足够Mg合金靶材充分电离。选择了相对强度较大的MgⅠ 383.2 nm, MgⅠ 470.3 nm, MgⅠ 518.4 nm三条激发谱线,利用这些发射谱线的相对强度计算了等离子体的电子温度,激光能量为500 mJ时,等离子体温度为1.63×104 K。实验结果表明：在本实验条件下,Mg原子可以得到充分激发;在200～500 mJ激光能量范围内,等离子体温度随着激光能量的降低而衰减,在350～500 mJ激光能量范围内的等离子体温度随激光能量的变化速度十分明显,200～350 mJ时等离子体温度变化速度迅速减缓;激光能量为300 mJ时,谱线相对强度明显减弱,低于350和250 mJ的谱线相对强度,不符合谱线相对强度会随着激光能量提高而上升的变化趋势,证明发生了等离子体屏蔽现象,高功率激光产生的等离子体隔断了激光与材料之间的耦合。此时的等离子体温度明显升高,不符合变化趋势,这是由于在发生等离子体屏蔽现象时,激光能量被等离子体吸收,导致等离子体温度上升。     

大功率YAG激光-MAG复合热源的光谱诊断与分析

大功率YAG激光-MAG复合热源具有广泛的工业应用前景,其等离子体状态的诊断对于指导复合热源发展方向、优化复合参数具有重要意义。通过建立的中空探针光谱扫描系统,采用荷兰Avaspec-FT-2快速数字光谱仪,横向扫描焊接电弧等离子体,采集YAG激光-MAG复合等离子体不同空间位置的光谱;通过计算得到其特定辐射谱段的空间分布,对比激光复合前后等离子体辐射的变化;并结合高速摄像照片,探讨其耦合机理。进一步选取特定谱线(FeⅠ),采用Boltzmann图法对复合热源等离子体的空间电子温度进行计算;研究结果表明,YAG激光-MAG电弧复合后,等离子能量更靠近熔池,集中作用于焊接试板,其能量作用区域展宽;在电弧中心区造成电子温度上升。     

A novel “sandwich” method for observation of the keyhole in deep penetration laser welding

A sandwich method was used to observe the keyhole in deep penetration laser welding, which provided an effective way to analyze both the Fresnel and inverse Bremsstrahlung absorption. In the transparent metal-analog system, different densities of metal vapor, ionized atoms, and free electrons in the keyhole can be simulated by changing the thickness of aluminum films. The research results show that inverse Bremsstrahlung absorption exerts a tremendous influence on the energy absorption of the laser beam for CO₂ laser welding. Low density of keyhole plasma benefits the incident laser energy coupling to the materials. However, excess density of keyhole plasma baffles the transmission of the incident laser beam to the interior material. By comparing inflow energy and outflow energy, there exits an energy balance on the keyhole wall by balancing the absorbed laser intensity and heat flux on the wall.     

等离子体屏蔽和稀疏波对冲量耦合系数的影响

利用脉冲Nd:YAG激光作用在铝、铜靶上,研究了不同入射激光能量下冲量耦合系数和离焦量之间的关系,以及不同功率密度情况下冲量耦合系数和光斑直径的关系。实验表明铝靶在入射激光脉冲能量由75.8 mJ增加到382.3 mJ时,冲量耦合系数峰值对应的最佳离焦量由－10 mm处远离焦点向透镜方向移到－18 mm,而对应的激光功率密度仅由2.0×109 W/cm2增加到3.9×109 W/cm2;铜靶实验规律和铝靶类似。等离子体屏蔽的吸收作用导致了冲量耦合系数达到最大值后迅速降低。铝靶在入射激光功率密度由0.7×109 W/cm2增大到1.0×1010W/cm2时,冲量耦合系数随光斑直径增大而增大,对应变化斜率由5.2×10-5N·s/（mm·J）增大到49.2×10-5N·s/（mm·J）,表明了稀疏波对冲量耦合系数的削弱作用随入射激光功率密度增加而增加,随光斑直径增大而减小。     

不同实验条件对激光诱导等离子体的影响机理研究

常温常压下,采用波长532 nm的Nd：YAG纳秒激光器激发诱导空气中的铝合金,由高分辨率的光谱仪和ICCD对等离子体发射光谱采集和实现光电转换。研究激光能量、ICCD门延迟和聚焦透镜到样品表面的距离（lens-to-sample distance,LTSD）对谱线信号强度和等离子体电子温度的影响,并分析了产生影响的物理机制。结果表明,固定ICCD门延迟和LTSD,随着激光能量的增大,谱线强度和电子温度均增大;计算结果表明,当激光能量从20 mJ增加到160 mJ时,原子谱线Al I 396.15 nm,Mg I 518.36 nm,离子谱线Mg II 279.54 nm谱线强度相较于20 mJ分别提高了12.83,6.45,10.56倍。固定激光能量和LTSD,ICCD门延迟在100～4 000 ns范围内变化时,随着延迟的增加,谱线强度和等离子体电子温度均呈指数形式衰减。固定ICCD门延迟和激光能量,采用焦距为75 mm的聚焦透镜,研究了LTSD对等离子体参数的影响机理。结果表明,聚焦透镜到样品的距离对等离子体的谱线强度和电子温度有较大的影响。等离子体的特征谱线强度和等离子体的电子温度的变化规律基本一致,分别在聚焦透镜到样品表面的距离为73 mm和79 mm处取得峰值,并在73 mm处对应最大值。     

激光诱导Ti等离子体电子温度的实验研究

室温,常压下,利用Nd∶YAG脉冲激光器产生的波长为1 064 nm, 脉宽12 ns,能量分别180, 230和280 mJ的脉冲激光冲击Ti靶,使用中阶梯光栅光谱仪检测了三种激光能量下对应的光谱。调节延时器DG645的延迟时间,检测了延迟0～500 ns时间范围内Ti等离子体对应激光能量下的发射光谱,分析光谱,可以得到了九条不同的的TiⅠ 和TiⅡ等离子体谱线,证明在该实验条件下,Ti靶能够充分吸收能量电离且离子谱线具有不同的演化速率,利用Saha-Boltzmann法计算并分析Ti等离子体电子温度,实验结果表明：相同的延迟时间,激光能量越大,谱线相对强度越大,电子温度越高,谱线相对强度的变化量随激光能量的变化量增大而增大;在延时0～150 ns内,三种激光能量下的等离子体电子温度和谱线的相对强度都随延迟时间的增加而快速下降,其中280 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度下降速率较快;在150～250 ns范围内,电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加有一个缓慢的上升,180 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度的上升速率较快。250～500 ns范围内,三种激光能量下的电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加而缓慢下降。     

Compton散射下固体温度变化对光声信号强度的影响

应用多光子非线性Compton散射模型,研究了固体温度变化对光声信号强度的影响。结果表明,在Compton散射光和入射光形成的耦合光强度和频率不变时,随固体温度的升高,光声信号强度非线性迅速增强;固体温度不变时,随耦合激光强度和频率的增大,光声信号强度几乎趋于0。     

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应用多光子非线性Compton散射模型,研究了固体温度变化对光声信号强度的影响。结果表明,在Compton散射光和入射光形成的耦合光强度和频率不变时,随固体温度的升高,光声信号强度非线性迅速增强;固体温度不变时,随耦合激光强度和频率的增大,光声信号强度几乎趋于0。     

基于光路追踪方法的激光交叉束能量转移模型

提出一种基于几何光路追踪方法并可在流体模拟程序中实现在线计算的激光交叉束能量转移（CBET）耦合模型。借助由激光逆轫致吸收公式引入的泵浦激光功率密度在流体网格尺度上的计算公式,该模型可计算探针激光束中每根光线所携带的能量经过与泵浦激光场相互作用带来的损失（或增加）,从而实现激光能量在束间的转移。反复迭代的计算方法解决了由于激光束间能量转移与光线历史相关并且束间强耦合带来的方程求解困难。模型很容易推广到多束激光束两两能量交换的情形,也可用于研究逆轫致吸收和激光等离子体相互作用等物理内容。