高温气体中的激光击穿效应

通过对电子能量分布函数所满足的Boltzmann方程的求解,得到了高温氧原子气体中激光产生电离击穿效应时的束流强度阈值。这一阈值远小于在低温氧分子气体中产生电离击穿的阈值,最多可相差两个数量级。导致这一现象出现的主要原因是原子和分子的能级分布和激发自由度有很大的差别。     

强电磁脉冲(激光、微波)在高温离解氮气中的击穿效应

 通过对电子能量分布函数所满足的Boltzmann方程的求解，在理论上分析了强电磁脉冲(激光、微波)在高温氮气中的击穿效应。高温气体的一个主要特征是其中的部分气体分子会离解为原子，这一离解效应会对强电磁脉冲在气体中发生电离击穿的阈值产生影响。计算表明：随着温度的升高，氮分子的离解度增大，强电磁脉冲的击穿阈值下降；击穿阈值的下降幅度与电磁波的频率有关，对频率较高的红外激光，击穿阈值下降明显；而对微波，击穿阈值所受影响较小。     

强电磁脉冲(激光、微波)在高温离解氮气中的击穿效应

通过对电子能量分布函数所满足的Boltzmann方程的求解,在理论上分析了强电磁脉冲(激光、微波)在高温氮气中的击穿效应。高温气体的一个主要特征是其中的部分气体分子会离解为原子,这一离解效应会对强电磁脉冲在气体中发生电离击穿的阈值产生影响。计算表明：随着温度的升高,氮分子的离解度增大,强电磁脉冲的击穿阈值下降;击穿阈值的下降幅度与电磁波的频率有关,对频率较高的红外激光,击穿阈值下降明显;而对微波,击穿阈值所受影响较小。     

高功率激光表面大气击穿阈值的波长关系

通过对大气击穿的物理机制、低空大气中的自由电子及其寿命和电离机制进行讨论,给出了高功率激光大气击穿较为明晰的物理图像。并通过理论分析,给出了激光大气击穿阈值的波长关系,对给定波长激光的大气击穿阈值可以作出迅速的估值,是一种较为简捷的方法     

用激光诱导击穿光谱测量铝合金的激光烧蚀阈值

采用正交几何配置的双波长双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱技术准确测量了铝合金样品的激光烧蚀阈值。在烧蚀激光波长为532 nm、脉宽为12 ns并采用焦距为2 cm的非球面透镜强聚焦的条件下,得到铝合金的激光能量烧蚀阈值为48 J,等效的能量密度烧蚀阈值为9.8 J/cm2。该技术是一种新的激光烧蚀阈值的光谱测量手段,与传统的测量技术相比,具有高灵敏、准确、快捷和便利的特点,可以用于不同材料的激光烧蚀阈值的准确测量。     

用激光诱导击穿光谱测量铝合金的激光烧蚀阈值

采用正交几何配置的双波长双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱技术准确测量了铝合金样品的激光烧蚀阈值。在烧蚀激光波长为532 nm、脉宽为12 ns并采用焦距为2 cm的非球面透镜强聚焦的条件下,得到铝合金的激光能量烧蚀阈值为48 J,等效的能量密度烧蚀阈值为9.8 J/cm2。该技术是一种新的激光烧蚀阈值的光谱测量手段,与传统的测量技术相比,具有高灵敏、准确、快捷和便利的特点,可以用于不同材料的激光烧蚀阈值的准确测量。     

利用激光击穿光谱检测大气中的重金属成分

大气中的重金属成分对人类健康有严重的危害,有必要对其进行检测和控制,利用自行搭建的一套激光击穿光谱大气监测系统,对煤燃烧烟气和烟花爆竹燃烧烟气污染的大气作为研究对象,通过软件进行处理,获得了大气中的多种重金属元素的L1BS光谱图。利用模拟的被Cd元素污染的大气进行了定量分析,配制含Cd不同浓度的大气样品进行了实验,得到了Cd元素的校准曲线,其线性拟合相关度为0.9938,计算得到其检出限为1mg/m~3。这些研究结果有效地促进了激光击穿光谱在大气污染物检测实用化技术方向的发展。     

飞秒激光诱导水光学击穿阈值

为了研究飞秒激光诱导水光学击穿阈值随激光脉冲参数的变化关系,采用四阶Runge-Kutta方法对飞秒激光诱导水光学击穿的椭球体模型进行了不同脉宽（40~540 fs）、波长(400~1 200 nm)和光斑尺寸（0~200 μm）下的数值模拟。通过控制变量法得出阈值光强与这些激光脉冲参数的关系曲线图,据此定性分析了阈值光强与激光脉冲参数的变化特征趋势。应用光强与功率、能量、辐照曝光量和电场强度之间的关系,得到了它们随激光脉冲参数脉宽、波长和光斑尺寸的动态关系,这为进一步研究飞秒激光与水和含水介质的相互作用提供了理论依据。     

飞秒激光诱导水光学击穿阈值

为了研究飞秒激光诱导水光学击穿阈值随激光脉冲参数的变化关系,采用四阶RungeKutta方法对飞秒激光诱导水光学击穿的椭球体模型进行了不同脉宽(40～540fs)、波长(400～1200nm)和光斑尺寸(0～200μm)下的数值模拟。通过控制变量法得出阈值光强与这些激光脉冲参数的关系曲线图,据此定性分析了阈值光强与激光脉冲参数的变化特征趋势。应用光强与功率、能量、辐照曝光量和电场强度之间的关系,得到了它们随激光脉冲参数脉宽、波长和光斑尺寸的动态关系,这为进一步研究飞秒激光与水和含水介质的相互作用提供了理论依据。     

激光大气击穿阈值的数值分析

 针对大气中飞行器的等离子体隐身问题,数值计算了ns量级强激光击穿大气的阈值,讨论了一些相关条件对阈值的影响。结果表明：对于ns量级的入射激光,波长越长,大气的击穿阈值越小;气压越大,击穿阈值也越小;气体中存在的初始电子对不易产生光电离的长波长入射激光的击穿阈值,有明显的减少作用,但对短波长入射激光的击穿阈值几乎没有影响;脉宽越宽,激光辐照的时间越长,大气击穿的阈值越小。     

基于流体模型和非平衡态电子能量分布函数的高功率微波气体击穿研究

用流体模型研究高功率微波气体击穿时, 电子能量分布函数常被假设为麦克斯韦分布形式, 此假设可能将给模拟结果带来较大的误差. 通过求解玻尔兹曼方程, 得到非平衡状态下的电子能量分布函数. 分别将上述两类分布函数引入到流体模型中, 对氩气击穿进行了数值模拟. 结果表明, 基于非平衡分布函数得到的击穿时间与粒子模拟结果符合得很好, 而当平均电子能量较低时, 麦克斯韦分布函数的高能尾部导致了较短的击穿时间. 最后, 采用非平衡分布函数计算了不同压强下的氩气击穿阈值, 发现其与实验结果基本符合. 关键词： 微波气体击穿 电子能量分布函数 流体模型 玻尔兹曼方程     

Gas breakdown with nanosecond CO2 laser radiation

The thresholds for CO₂ laser induced breakdown and their variation with pulse width have been measured at various pressures for Ar, N₂ and an 8/1/1 laser mixture of He/CO₂/N₂ using 3–40 ns duration pulses. These measurements indicate that excited state production plays a dominant role in determining the threshold for nanosecond duration pulses. This has been confirmed by the good agreement obtained between the measured and theoretical thresholds.     

高功率微波单一气体及混合气体击穿特性

综合考虑高功率微波对电子的加速过程以及电子与气体分子的碰撞过程,建立了单一气体与混合气体击穿过程的蒙特卡罗仿真模型,编写了三维蒙特卡罗仿真程序(3D-MCC)。针对单一气体Ar和N2以及混合气体N2/O2展开研究,仿真了气体雪崩击穿电子云形成过程,对比分析了不同气体电子能量分布函数随压强的变化规律。发现了Ar击穿特性受电子能量分布函数影响较大,而N2击穿特性受电子能量分布函数影响较小。通过分析平均电子能量以及电子密度随时间的变化过程,得到了Ar和N2击穿时间,并通过与流体模型计算得到的击穿时间比对分析验证了3D-MCC模型的正确性。在真空腔体内开展了S波段高功率微波大气击穿实验,测量得到了场强为6.38 kV/cm时不同压强下的大气击穿时间。通过在辐射源与真空腔体之间增加聚焦透镜,大大减小了壁效应的影响,并且采用模型仿真得到的大气击穿时间与实验结果吻合较好。     

亚纳秒气体开关中气体击穿的数值计算

对亚纳秒气体开关的放电过程,提出了气体击穿阶段的物理与数学模型以及数值计算方法,并对氢气和氮气的这一击穿过程进行了数值仿真。对于1mm氮气间隙,计算了充电电压波形为纳秒级上升的斜角平顶波时,开关放电时延以及击穿电压随气压和充电电压上升时间的变化。对于氢气,利用美国Sandia实验室的一个实验结果对数值仿真方法进行了验证,所得到的计算结果与实验结果很好地吻合,初步表明所建立的物理模型与计算方法的正确性。     

复混肥中钾含量的激光诱导击穿光谱分析

将激光诱导击穿光谱技术(LIBS)应用于复混肥中的主要营养元素之一钾（K）元素的含量检测。样品中K养分的浓度较高,在等离子体形成过程中容易发生自吸收。通过分析谱线的激发能级、跃迁几率以及自吸收程度,确定最佳分析谱线为钾的原子线404.40 nm。同时为了提高LIBS分析复合肥样品的测量精度,分析了光谱测量稳定性随谱线信号平均次数的变化规律。结果显示,在本实验条件下,一次测量平均100个脉冲所得的光谱信号,其相对标准偏差较小。实验总共分析了9个复合肥样品,其中7个作为定标样品,建立K养分浓度的定标曲线,另外2个作为未知样品,用以检验LIBS分析K养分浓度的测量精确度。研究结果表明,定标曲线的线性拟合度为0.989,检验样品的绝对误差小于0.3%,体现了激光诱导击穿光谱技术快速分析复混肥中钾养分的潜力。