气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

环境气氛对高能量激光诱导等离子体辐射特性的影响

采用高能量钕玻璃激光器(～25 J)激发诱导金属等离子体,研究了环境气体及其压力对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,相同压强下,氩气中等离子体的谱线强度明显高于空气中等离子体的谱线强度;0.8×105Pa氩气条件下,光谱标钢等离子体的谱线强度达到了最大值;随着环境气压的增大,谱线自吸明显增强,当环境气压达到(0.8～0.93)×105Pa时,标样铝的AlⅠ308.22 nm和AlⅠ309.27 nm两条谱线产生了严重自蚀;另外,等离子体的激发温度也随环境气压的增大而增大,0.93×105Pa氩气条件下标钢等离子体的激发温度相对于0.43×105Pa时升高了近1 500 K。     

气压对激光诱导Al等离子体特征的影响

使用Nd :YAG激光器烧蚀金属Al靶获得等离子体 ,利用光谱时 -空分辨技术 ,在 10 0～ 1× 10 5Pa气压范围内 ,关于环境气体压强对激光诱导的等离子体辐射特征的影响进行了研究。使用的气体是Ar气 ,单脉冲激光能量 145mJ。结果发现 ,气压升高 ,特征谱线强度增加 ,连续谱强度也增加 ;但气压过高 ,在接近大气压时 ,特征谱和连续谱都下降 ;最大特征辐射强度在 10kPa、靶前 0 .1mm处、延时 180ns获得 ;同一条件下获得最强背景连续谱 ,而信号 -背景比是在10 0 0Pa、靶前 1.0mm处、延时 2 50 0ns达到最大值。基于Al等离子体不同气压下的时间 -空间分辨谱 ,对结果进行了简单的讨论。并分别确定了获得最大特征辐射和信号 -背景比的条件 ;以及最佳信号采集区。     

飞秒激光低压N2等离子体特性的实验研究

在低于一个标准大气压的条件下对飞秒激光产生的N₂等离子体光谱进行了实验研究.结果表明, 各种样品气压下的激光N₂等离子体光谱均表现为连续谱和线状谱的叠加.随着样品气压的降低, 连续谱和原子谱线的强度经历了由缓慢增强发展为缓慢降低再到迅速降低的过程, 而正一价离子谱线强度呈现逐步增强的特征.在气压低于0.3 atm (1 atm=101325 Pa)时, 出现了正二价态的离子谱线. 给出了低压N₂等离子体对于飞秒激光传输和能量吸收的物理特性, 并初步讨论了低压等离子体通道特性.这些结果有助于加深了解飞秒激光等离子体的特性和机理, 特别是给出了在实验上测量不同价态离子光谱的条件, 为今后的研究提供了有益的实验依据. 关键词： 飞秒激光 气压 等离子体光谱 激光传输     

激光微区发射光谱谱线品质的研究

利用单脉冲YAG激光、YGJ Ⅱ激光微区分析仪结合光电检测系统 ,在减压氩气环境下实验研究了金属分析样品发射光谱中CuⅠ 32 4 7nm和CuⅠ 32 7 4nm的时间特性、谱线强度及空间分布 ,并与空气环境下的实验结果进行了比较。实验结果表明在减压氩气环境下 ,激光微区发射光谱与环境气体、环境气压和辅助激发参数密切相关。当辅助电极端面直径为 1 5mm、辅助电极距分析样品表面高度为 4mm、辅助电极间距为3mm、辅助激发电压为 1 30 0V、氩气压力 33 2kPa时 ,CuⅠ 32 4 7nm和CuⅠ 32 7 4nm谱线的发射时间比空气下延长了 50 0 μs,谱线强度约为相同气压空气环境下的 4倍 ,约为 1个大气压空气环境下谱线强度的 2倍 ,谱线的半最大值宽度明显变窄。因此氩气环境延长了谱线的发射时间 ,减少了自吸效应 ,使谱线强度明显增强 ,谱线品质得到显著改善。     

不同气压下激光诱导击穿Cu合金等离子体光谱自吸收现象研究

采用波长532 nm激光（脉宽为8 ns）诱导激发铜合金等离子体光谱,研究了激光能量分别为100,80,60和40 mJ时,常压下谱线（CuⅠ 324.754 nm）自吸收现象;在激光能量为100和40 mJ的条件下,研究了低环境压力对铜合金等离子体元素发射谱线自吸收现象和谱线特性的影响。结果表明：常压下谱线（CuⅠ 324.754 nm）存在严重的自吸收现象,自吸收程度随激光能量减小而降低。适度降低环境压强,谱线的自吸收程度大大降低,谱线的信背比增大,且在一定的低气压条件下,自吸收现象可以基本消除。在5.0×104 Pa气压下,两种能量下谱线的信背比均达到最大值,分别为8.90和8.66,相对于常压分别增大了11.23和12.62倍,此时谱线强度的相对标准偏差分别为2.9%和1.3%;两种能量下等离子体元素发射谱线的线宽随着气压的下降迅速减小,当气压为5.0×104 Pa时,等离子体元素发射谱线的线宽分别为0.08和0.06 nm,是常压下线宽的19%和20%。研究表明：低压环境能明显提高光谱分析的灵敏度和精密度,使得在分析较高含量元素时允许选择灵敏谱线,为采用LIBS技术准确测定高含量元素提供了有效方法。     

环境气体对激光诱导Al等离子体光谱的影响

调QNd:YAG脉冲激光(波长1.06μm,脉冲宽度10ns,能量42mj/pulse)烧蚀平面Al靶,在垂直靶面方向,利用光学多道分析系统(OMA),测量了激光诱导产生的等离子体发射光谱分别在环境气体为Air,N2和Ar,气压范围分别在10-2Torr,152Torr,304Torr,532Torr和760Torr下的空间分布。实验表明,随着环境气体压强的增大,光谱的空间分布被压缩,且谱线强度的峰值向靶面方向移动;在相同的气压下,Ar环境下产生的光谱强度明显大于在Air和N2环境下产生的光谱强度;在气压为152Torr的不同环境气体下,均发现光谱在离靶面很近的地方(约0.5mm～1.0mm)减小,甚至消失;在Ar环境气体下,谱线396.1nmAlⅠ的空间分布随着与靶面距离的增大,谱线位置向短波方向有约0.03nm(对应OMA探头的一个二极管阵列)的移动,而谱线394.4nmAlⅠ的移动不太明显。     

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。     

实验参数对激光诱导铝合金产生等离子体光谱的影响

利用Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿2519A铝合金产生等离子体光谱,采用光谱仪检测和记录了Al和Cu的原子谱线,并研究了不同实验参数或条件对该谱线的影响。结果表明,透镜到样品表面距离、探测角度、激光脉冲能量、观测高度和环境气压大小对实验分析性能,如谱线强度、信背比和实验可重复性等均有较大的影响,通过设置适当的实验条件可以获得最佳的实验结果。     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

碳涂层对激光诱导金属等离子体辐射强度的影响

为了降低样品表面对激光束的反射率,提高激光诱导等离子体的辐射强度,文章报道了一种在钢样品表面涂抹碳层的方法.实验结果表明,当一束高能量激光(～25 D作用于覆盖有适当厚度碳涂层的钢样品时,激光等离子体发射的谱线强度提高了10%～28%.为解释谱线强度增强的机理,测量了等离子体的激发温度.此外,实验研究还发现,更强的原子发射光谱出现在激光等离子体径向的1 mm处,而不是在其中心位置.     

Electrical and optical characteristics of the radio frequency surface dielectric barrier discharge plasma actuation

Electrical characteristics and optical emission spectrum of the radio frequency(RF) surface dielectric barrier discharge(SDBD) plasma actuation are investigated experimentally in this paper. Influences of operating pressure, duty cycle and load power on the discharge are analyzed. When the operating pressure reaches 30 kPa, the discharge energy calculated from the Charge–Voltage(Q–V) Lissajous figure increases significantly, while the effective capacitance decreases remarkably. As the duty cycle of the applied voltage increases, the voltage–current waveforms, the area of Q–V loop and the capacity show no distinct changes. Below 40 W, effective capacitance increases with the increase of load power, but it almost remains unchanged when load power is between 40 W and 95 W. The relative intensity I_(391.4)~peak/I_(380.5)~peak changes little as the operating pressure varies from 4 kPa to 100 kPa, while it rises evidently with the pressure below 4 kPa, which indicates that the RF discharge mode shifts from filamentary discharge to glow discharge at around 4 kPa. With the increase of load power, the relative intensity I_(391.4)~peak/I_(380.5)~peak rises evidently. Additionally, the relative intensity I_(371.1)~peak/I_(380.5)~peak is insensitive to the pressure,the duty cycle, and the load power.     

激光脉冲能量对激光诱导Al等离子体辐射特征的影响

使用Nd：YAG激光器烧蚀金属Al靶获得等离子体,利用光谱时-空分辨技 术,在52 mJ～145 mL/pulse激光脉冲能量范围内,关于激光脉冲能量对激光诱导等离子体 辐射特征的影响进行了研究。使用的气体是Ar气,压强为10 kPa。结果发现,激光脉冲能量 升高,引起特征谱线强度增加,连续谱强度也增加;但能量过高,会击穿周围气体,产生气 体微等离子体。此时,特征谱和连续谱几乎不再增强;最大特征辐射强度在145 mJ、10 kPa 、靶前0.1 mm处、延时180 ns获得;同一条件下获得最强背景连续谱,而信号-背景差是在 145 mJ、10 kPa、靶前1.0 mm处、延时450 ns达到最大值。基于Al等离子体不同激光脉冲能 量下的时间-空间分辨谱,对结果进行了简单的讨论。并分别确定了获得最大特征辐射和信 号-背景差的条件。     

用于XeF蓝绿激光器的表面放电光泵浦源

基于Al2O3陶瓷、BN陶瓷和聚四氟乙烯三种基底建立了分段表面放电光泵浦源,对比研究了这三种表面放电光泵浦源的电学特性、辐射特性和烧蚀特性。利用放电波形计算了表面放电光泵浦源的等效电感、等效电阻和沉积效率,应用光谱法比较了它们的紫外辐射强度,并采用平均线烧蚀率评估了三种泵浦源的耐烧蚀性能。通过比较研究发现,在充电电压为13.5~26.8kV、间隙长度为8cm、放电室内混合气体气压为100kPa条件下,三种泵浦源中Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源的沉积效率最高,大于82%;辐射光谱具有紫外增强效应,紫外辐射最强;平均线烧蚀率最小(小于0.15μm/shot),耐烧蚀性能最好。研究结果表明采用Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源作为大功率重频XeF蓝绿激光器的泵浦源,可提高XeF蓝绿激光器的寿命。     

On the role of prepulses during solid target heating by picosecond laser pulses

X-ray emission spectra of the plasma created at the surface of magnesium, aluminum, copper, and zinc targets heated by 1-ps laser pulses with a peak power density of up to 10¹⁶ W/cm² were measured. The effect of a picosecond prepulse on the spectra was studied for various power densities and intensity contrasts of the main laser pulse. It is established that the emission spectra of laser plasmas are weakly affected by a change from 10⁵ to 10⁷ in the main pulse contrast relative to the first prepulse. Variations in the parameters of emission from aluminum and magnesium plasmas were calculated using relative intensities and widths of the resonance lines of H-and He-like ions and their two-electron satellite peaks.     

透镜与样品之间距离对激光等离子体辐射特性的影响

采用高能量钕玻璃激光器产生的激光(～25J)在减压氩气环境下诱导钢和土壤样品等离子体,研究了激光束聚焦透镜(f=130 mm)与样品之间距离对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,当聚焦透镜的焦点围绕样品表面上下移动时,对于合金钢样品,激光束焦斑位于样品表面以下0.4 mm左右,则激光等离子体的辐射强度、激发温度和物质烧蚀质量均出现最大值;而对于土壤样品,当激光束聚焦位置在样品表面以下0.2 mm左右,等离子体辐射强度和物质烧蚀质量具有最大值。为了比较透镜与样品之间距离对等离子体形状的影响,也拍摄了氩气和空气环境下产生的激光等离子体象。所得结果证明,激光等离子体特性明显依赖于透镜与样品之间距离。     

Emission properties of laser ablation of SnO2: Sb transparent conducting film and KTiOPO4 crystal

Optical emission spectra of Nd:YAG laser ablation of KTiOPO₄ (KTP) crystal and SnO₂:Sb transparent conducting thin film were recorded and analyzed in vacuum and in air. The integral intensities of spectral lines from laser-ablated KTP crystal were obtained as functions of distance from the target surface and laser power density in vacuum and in air. The ambient gas effects on pulsed laser ablation of target were discussed. We also performed laser ablation of SnO₂:Sb transparent conducting thin film in air and the electron temperature and full-width at half-maximum (FWHM) of atomic and ionic spectral lines in the plasma were quantified using Boltzmann plot method and Lorentzian fit, respectively. Integral intensities of atomic and ionic Sn spectral lines were also obtained as functions of distance from the target surface and laser irradiance. The intensity ratio of ionic and atomic Sn spectral lines as a function of laser power density was got which gives some information about the variation of ionization ratio with laser irradiance in the plasma produced by high-power laser.