激光诱导Al等离子体中电子密度和温度的实验研究

激光烧蚀等离子体在微量元素分析方面有着重要的应用背景，而缓冲气体的种类及压力对激光等离子体的特性有重要影响。报道了以氦气、氩气、氮气和空气作为缓冲气体，实验测定了不同气压下Nd：YAG激光烧蚀Al靶产生的等离子体中的时间分辨发射光谱，利用发射谱线的Stark展宽和相对强度计算了等离子体中的电子密度和温度，得到了在不同缓冲气体中激光诱导Al等离子体的电子密度随延时、气压的演化规律，同时得到了电子温度的时间演化特性。实验结果表明，电子密度的数量级约为10^17cm^-3，电子温度测量值约为10000K，二者都是在激光脉冲后随时间快速衰减，直到4μs以后达到一个较低的水平并缓慢变化，其中以氩气作为缓冲气体时等离子体中的电子密度最大。     

朗缪尔探针诊断脉冲激光锡等离子体特性

激光作用锡靶等离子体极紫外光转换效率与等离子体特性密切相关。为了对等离子体特性进行诊断,设计了一种用于激光等离子体诊断的朗缪尔探针,取得了不同激光能量下产生的锡等离子体电子温度与电子密度的时间演化。结果表明,能量为58.1mJ的激光产生的等离子体峰值电子密度约为4.5×1011cm-3,最大电子温度为16.5eV,均随激光能量减少而降低,与发射光谱法所测的电子温度演化趋势一致。该研究为激光等离子体极紫外光源提供了一种新的简单快速诊断方法,有利于对激光等离子体的极紫外光源的参量进行优化。     

Ar 辅助Al 等离子体辐射谱分析

Nd∶YAG脉冲激光聚焦到Al靶表面,烧蚀Al靶,产生Al等离子体。用Ar气作保护气时,将诱发Ar气电离,产生丰富的Ar 离子辐射。文中根据Ar 离子辐射信息,分析了ArⅡ385.06nm、ArⅡ386.85nm、ArⅡ404.29nm等三条谱线的时间分辨行为,计算了Al等离子体离子辐射时期的电子温度;估算了特征辐射时期的电子密度。结果发现:在Al等离子体离子辐射时期,电子温度约1.2～1.9eV,随延迟时间增加,单调递减;在特征辐射时期,电子密度大约是2×1018cm-3。     

Ar 辅助Al 等离子体辐射谱分析

Nd∶YAG脉冲激光聚焦到Al 靶表面,烧蚀Al 靶,产生Al 等离子体。用Ar 气作保护气 时,将诱发Ar 气电离,产生丰富的Ar + 离子辐射。文中根据Ar + 离子辐射信息,分析了Ar Ⅱ385. 06nm、Ar Ⅱ386. 85nm、Ar Ⅱ404. 29nm等三条谱线的时间分辨行为,计算了Al 等离子体离子辐射时期的电子温度;估算了特征辐射时期的电子密度。结果发现:在Al 等离子体离子辐射时期,电子温度约1. 2～1. 9eV ,随延迟时间增加,单调递减;在特征辐射时期,电子密度大约是2 ×1018 cm- 3 。     

脉冲激光诱导碳等离子体的特性

为了研究不同空气压力条件下碳等离子体的动力学特性,采用发射光谱法对碳等离子体进行诊断。采用1064nm Nd…YAG激光器烧蚀碳靶,测得早期的发射光谱为连续谱,此时使用黑体辐射公式拟合并推算碳等离子体的电子温度;当线状谱出现后,采用玻尔兹曼作图法计算电子温度,并观察电子温度和电子密度随延时的演化趋势,以及空气压力对演化的影响。结果表明:不同空气压力条件下,电子温度和电子密度随延时的变化趋势一致;随着空气压力增大,等离子体受到的限制更大,粒子间的碰撞增加,导致电子温度和电子密度随之增大;在0.01Pa压力下沉积得到了石墨烯薄膜。     

激光诱导镍等离子体发射光谱Stark展宽和电子密度的空间分辨特性

在大气环境下利用脉冲Nd:YAG激光532nm输出烧蚀Ni靶,产生了激光等离子体。在350-600nm波长范围内测定了激光诱导等离子体中Ni原子的空间分辨发射光谱。得到了385.83nm发射光谱线的Stark展宽及其随径向的变化特性。由发射光谱线的强度和Stark展宽计算了等离子体电子密度,并讨论了激光等离子体的空间演化特性。结果表明,在沿激光束方向上,当距离靶表面0-2.5mm范围内变化时,谱线的Stark展宽、线移和电子密度都随距靶面距离的增大而先增大,在离靶面约1.25mm处时达到最大值,之后随距离的进一步增大而减小;电子密度在0.1-3.0 1016cm-3范围内变化。     

激光诱导击穿锌等离子体的空间膨胀特性及能量依赖关系的研究

本文通过激光诱导击穿光谱技术研究了锌等离子 体在空间膨胀时其特性的演化,并研 究了等离子体产生对激光脉冲能量的依赖关系。在大气环境下将脉冲激光聚焦于锌金属靶表 面烧蚀并产生等离子体,采集等离子体膨胀方向不同距离处的时间分辨荧光光谱,确定等离 子体的电子温度及电子数密度参数,研究等离子体特性随空间膨胀距离及时间的演化关系。 然后改变激光脉冲能量,采集特定位置的锌等离子体荧光光谱,确定等离子体特征参数及其 时间演化特性对激光脉冲能量的依赖关系,研究激光脉冲能量对等离子体形成的影响。结果 表明,等离子体形成后其早期膨胀过程为超音速绝热膨胀,随等离子体空间膨胀距离的增加 电子温度先降低后升高,电子数密度先升高后降低。当延迟时间增加至2.2us时,随着空间 距离的增加,电子温度持续下降,电子数密度基本维持不变,此时超音速绝热过程消失。当 激光脉冲能量增加时,锌元素特征谱线强度逐渐饱和,电子数密度增加速率逐渐降低,等离 子体寿命持续增加。当激光脉冲能量低于100 mJ时,电子温度随激光 脉冲能量的增加而快速 上升。当激光脉冲能量高于100 mJ时,电子温度维持在 8500 K上下波动。因此,随着激光脉 冲能量的增加,等离子体屏蔽效应逐渐明显,脉冲激光与锌金属靶相互作用前期产生的等离 子体吸收激光脉冲能量维持自身的存在,最终导致仅有部分激光脉冲能量与金属发生相互作 用,使得谱线强度及电子温度的上升出现阈值。     

激光诱导Al等离子体中电子密度的实验研究

用Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06μm激光,在低压环境下烧蚀金属Al靶获得等离子体,并观测其空间分辨发射光谱;利用AlⅠ的两条发射谱线的Stark展宽计算了Al等离子体电子密度,研究了电子密度随空间的演化规律。结果发现:在靶面附近电子密度达到最大值,随着离靶面距离的增加,电子密度逐渐减小,从微观物理机制的分析推断:激光诱导等离子体的复合辐射是电子密度减少的主要原因。另外,还探讨了激光能量的变化对等离子体电子密度的影响。     

高气压Ar对激光诱导Al等离子体辐射特性的影响

用高能量钕玻璃激光器(0~25J)烧蚀Al靶产生等离子体。实验中测量了Ar气气压在0.1~1.0MPa范围内,等离子体发射光谱的谱线强度、半宽度、信背比以及等离子体的电子温度和电子密度随气压的变化。结果表明,随着环境气体压强的升高,等离子体的空间体积被压缩,电子温度和电子密度增大,辐射强度有明显的增强。     

离焦量对等离子体冲击波力学效应的影响

为研究激光等离子体冲击波力学效应受入射激光及环境因素的影响,利用波长1．06μm,脉冲能量320 mJ,脉宽10 ns的Nd;YAG激光作用在Al靶上,研究了冲量耦合系数(C_m)和离焦量(Z)之间的关系。实验发现在1．01×10~5 Pa情况下,初始时C_m随Z增大而增大,到Z=-12 mm附近达到最大值;而后C_m随Z增大而减小。在4000 Pa时,C_m随Z的变化关系与1．01×10~5 Pa时相似,但峰值位置后移。离焦量不同时,由于作用激光的功率密度不同而影响等离子体屏蔽效果;光斑大小不同将影响稀疏波作用,且离焦量正负不同时激光等离子体冲击波对靶的作用机制也明显不同,这些因素决定了离焦量对等离子体冲击波力学效应的影响。     

激光诱导Co等离子体电子密度的时间空间演化特性

测定了激光烧蚀Co等离子体中Co原子389.408 nm发射谱线的时间空间分辨发射光谱.由发射光谱线的强度和斯塔克(Stark)展宽计算了等离子体电子密度,并由实验结果讨论了激光等离子体中电子密度的时间空间演化特性.实验结果表明,当延时在100～1000 ns变化时,等离子体中的电子密度变化范围为0.02×1017～0.73×1017 cm-3,在沿激光束方向上,当距离靶表面0～1.8 mm范围内变化时,相应的电子密度ne范围为0.3×1017～0.8×1017cm-3,等离子体电子密度在激光束方向上具有很好的对称性.     

碳片的空间约束对土壤等离子辐射特性的影响

为改善激光诱导击穿光谱的质量,提高激光诱导击穿光谱技术对土壤样品的检测能力,研究了圆形碳片距离样品表面的高度变化对土壤等离子体辐射强度的影响,并通过Boltzmann图方法和光谱线Stark展宽法测量了等离子体的电子温度和电子密度。实验结果表明,当有碳片从轴向约束等离子体时,等离子体辐射强度比没有碳片约束时的明显增强;随着碳片距离样品表面高度的加大,等离子体辐射强度逐渐升高并在11mm处达到最强,随后减弱。计算可知,样品中元素Fe、Mn、K和Ti在碳片距离靶面11mm处的谱线强度要比无碳片约束时的分别提高179.88%、117.02%、123.21%和91.24%;光谱信噪比分别提高107.30%、92.26%、68.48%和67.66%;等离子体的电子温度升高2800K,电子密度升高2.16×1016 cm-3。研究结果为土壤中痕量元素的检测提供了一种简单、易行的方法。     

激光脉宽和气压环境对固体火箭推进剂点火反应程度的影响研究

在真空(10 Pa)和空气(10~5 Pa)环境下,分别用短脉宽(10 ns)和长脉宽(140μs)激光辐照固体火箭推进剂HTPB/AP/Al样品,利用电磁复摆测量了冲量值,获取了对应激光入射能量和样品质量迁移量。结果表明:在长脉宽激光作用时,比冲在真空中随功率密度提高而增长,在空气中受激光烧蚀带走部分能量的影响偏低;用短脉宽激光作用时,热化学反应作功贡献减少,比冲在真空中受等离子体屏蔽影响较低,空气中冲量耦合机制以LSD波作功为主。     

千瓦级连续CO_2激光器电子温度的自动双探针测量系统

本文提出了用Z-80微型机控制的电子温度双探针自动测量系统,给出了数据处理的软件程序。在HGL-81型2kW级CO_2激光器上对放电等离子体进行了测量。在不同电流、不同气压、不同气体混合比例、不同位置测得的平均电子温度为(1.7～3.2)eV,平均电子浓度为(0.62～1.36)×10~(11)cm~(-3),平均比电场为2.0×10~(-16)V·cm~2。     

毛细管放电抽运软X光激光产生条件的实验研究

实验探索了较低氩气气压下激光产生的条件。利用X射线二极管（XRD）测量了毛细管放电激励类氖氩46．9nm软X光激光的输出。在其他实验参量不变的情况下，改变主脉冲电流的波形，比较了激光尖峰与背景光的相对位置。实验结果表明，当氩气气压为23Pa时，激光产生时间相对于不同的电流上升沿是一个在小范围内基本稳定的值，约为40ns左右；激光尖峰产生于背景光的峰值附近，表明激光尖峰是产生在等离子体被压缩到轴心后的停滞阶段。实验结果证实了只有当等离子体的电子温度、电子密度同时在最佳范围时才能产生软X光激光，并且主脉冲电流对等离子体压缩加热到合适产生激光的电子温度需要一个相对同定的时间；这个时间与主脉冲电流前沿的快慢无关。     

大气模式激光推进耦合系数的实验研究

为了研究大气压强对激光推进耦合系数的影响,设计了一座真空仓,利用真空泵系统控制仓内气压从4.6×103Pa到101.3×103Pa之间变化。采用单脉冲能量为20J的TEACO2激光器,对挂有光船模型的冲击摆进行大气模式激光推进耦合系数的测定。实验发现随着真空仓内气压的上升,冲量耦合系数逐渐增大,当气压值达到34.6×103Pa左右时,冲量耦合系数达到最大,随后伴同气压值的增加冲量耦合系数逐步下降。当入射激光单脉冲能量为10J时,冲量耦合系数的峰值处的气压值略有降低。从激光等离子体冲击波的角度对这一现象进行了初步的分析和解释,预测了能量对冲量耦合系数的峰值影响。