TC4钛合金样品硬度对激光诱导等离子体温度的影响研究

钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优良特性,目前已被广泛应用于压气机盘和叶片制造等航空制造领域。然而,钛合金材料的硬度较低,在服役过程中极易出现摩擦损耗等问题,从而降低部件的使用寿命。因此,原位、实时的硬度监测对钛合金部件在使用过程中的性能评估具有重要意义。本工作利用激光诱导击穿光谱(LIBS)对TC4钛合金样品热处理后的不同硬度进行了表征。实验结果发现,随着样品硬度增大,材料的激光诱导等离子体温度呈上升趋势,表明激光诱导等离子体温度可以作为金属硬度的重要表征参数。研究还进一步探究了材料硬度变化对等离子体温度影响的内在机理。

不同气压下银纳米粒子增强激光诱导等离子体信号

基于激光诱导击穿光谱技术实现带电检测真空开关真空度亦成为趋势,该技术可以达到10^(-3)Pa的检测能力。然而,现有激光诱导击穿光谱技术(LIBS)存在检测限较高、灵敏度较低等问题,因此提出一种基于金属纳米粒子的增强技术来提高真空开关真空度带电检测精度。通过在样品表面涂覆银纳米粒子层,降低激光击穿阈值,提升信号谱线强度。研究了不同气压下激光诱导等离子体信号随延迟时间以及试剂浓度的变化规律,研究结果表明,银纳米粒子在常气压下对信号增强可达1~2个数量级,且浓度越高,增强效果越好。在低气压下,银纳米粒子的信号增强达到1~2倍,随着气压降低,增强倍数先增大后减小,且等离子体被激发时间早于大气压下。银纳米粒子对背景噪声辐射强度没有显著影响,因此使用银纳米粒子可以有效提高等离子体信号的信噪比,对真空开关真空度带电检测起到一定优化作用。

共轴双脉冲激光诱导击穿光谱等离子体辐射信号的增强机制

双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)在痕量元素的高灵敏探测中发挥着重要作用,有关其信号增强机制已存在有诸多解释,但有必要进一步从等离子体辐射荧光特性、等离子体温度和数密度的空间分布等方面开展深入探讨。构建了基于激光热烧蚀和二维轴对称流体动力学的理论模型,并用它模拟了单脉冲LIBS和共轴双脉冲DP-LIBS激发条件下激光烧蚀铝镁合金产生等离子体及其辐照度的时空演化过程,对比了不同脉冲间隔下谱线强度的增强效果,分析了等离子体温度、各类粒子数密度的空间分布结构以及等离子体的屏蔽效应,并由此阐释了DP-LIBS的光谱信号增强机制。结果表明,共轴DP-LIBS诱导等离子体辐射信号的增强主要源于第二束激光增加了粒子数密度和等离子体温度,而等离子体的屏蔽效应主要出现在靶材表面的羽流层。这一研究为DP-LIBS实验研究和信号增强溯源提供了重要的理论基础,也能够帮助科研人员快速准确地优化DP-LIBS实验装置参数。

基于激光诱导等离子体的真空开关真空度检测稳定性研究

基于激光诱导等离子体成像的真空开关真空度检测方法是一种非接触式真空度检测方法,有望实现安全可靠的真空开关真空度带电检测。但是,激光诱导等离子体的演化是一个十分复杂的物理过程,激光能量、等离子体测量延迟时间等因素直接影响了等离子体成像,对等离子体成像稳定性的影响需要进行更加深入的研究。为此采用相对标准偏差研究了等离子体成像平均次数、激光能量和等离子体测量延迟时间等对等离子体图像和等离子体辐射强度积分稳定性的影响。结果显示,多次成像平均得到的等离子体图像和辐射强度积分不随平均次数发生明显变化,可用于表征真空度。更重要的是,等离子体辐射强度积分的相对标准偏差随平均次数和激光能量的增加而单调下降,随延迟时间的增加而增大,这意味着对等离子体进行多次成像平均,增加激光能量,减小等离子体成像的延迟时间可以提高等离子体辐射强度积分的稳定性,有利于提高真空度检测精度。该研究为基于激光诱导等离子体成像的真空开关真空度检测方法的参数优化提供了指导,为该方法的实际工程应用奠定了实验基础。

激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响,发现扫描线间距对接触角的影响最大,靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之,扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm^(2),扫描线间距为200μm,靶材和蓝宝石之间的距离为150μm,扫描速度为10 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为136°,表现出良好的疏水性;当激光能量密度为7.4 J/cm^(2),扫描线间距为50μm,靶材和蓝宝石之间的距离为100μm,扫描速度为5 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为29°,具有较好的亲水性,并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现,蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒,这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。

锌的激光诱导击穿光谱与等离子体温度研究

金属锌的探测工作对于诸多领域有着重要意义。本研究采用激光诱导击穿光谱技术对锌进行了检测分析,标记出锌在200~895 nm波段内的31条特征谱线。并且在不同激光能量下进行了多次探测,发现激光能量对于锌谱线的相对强度影响显著。同时计算了不同激光能量下的等离子体温度,发现等离子体温度随着激光能量的增加而逐渐升高。此外,研究了离子线与原子线强度比和等离子体温度的关系,结果表明,锌的离子线与原子线强度比和等离子体温度之间呈正相关趋势。

激光诱导放电等离子体极紫外辐射的模拟

极紫外光刻是目前新一代超高集成度半导体芯片制造流程中重要的一环,激光诱导放电等离子体是极紫外光源产生的重要技术手段之一.本文基于全局状态方程、原子结构计算程序、碰撞辐射模型建立了一个辐射磁流体力学模型,对激光诱导放电等离子体的动力学特性及极紫外的辐射特性进行模拟,模拟复现了放电过程中的箍缩现象,得到的极紫外光的转化效率与实验符合.研究发现放电电流的上升速率对极紫外光的产生有极大的影响,该结果对后续极紫外光输出功率、转化效率以及光谱纯度的提升有重要的指导意义.

激光诱导等离子体光谱元素成像技术研究进展及其在核材料检测领域的应用

激光诱导等离子体光谱(LIPS)元素成像技术以其具备测量不受辐射本底影响、测量速度快、样品制备相对简单、可远程分析放射性样品等优势在核材料检测领域展现出巨大的潜力。对激光诱导等离子体光谱元素成像技术的成像系统和数据处理两个方面进行综述,并对其研究进展和在核材料检测领域的应用进行综合分析,总结LIPS元素成像技术的优势与面临的挑战,对LIPS元素成像技术在核材料检测领域的发展趋势进行了展望。

激光诱导钛合金等离子体电子温度和电子密度的时间分辨测量

以波长为532 nm的纳秒脉冲激光器为激发源,使用中阶梯光栅光谱仪和增强电荷耦合器件(ICCD)获得了激光诱导钛合金等离子体的时间分辨发射光谱;基于发射光谱,利用玻尔兹曼图法和萨哈-玻尔兹曼图法计算了等离子体电子温度;采用斯塔克展宽法计算了电子密度。研究结果表明,相较于玻尔兹曼图法,萨哈-玻尔兹曼图法可提供更为准确的电子温度计算结果。此外,光谱采集门宽的增大会导致等离子体电子温度和电子密度计算值的减小。以上研究结果为钛合金的激光诱导击穿光谱(LIBS)分析提供了实验指导。

静态空气中多点激光诱导等离子体的演化特性

研究静态空气中多点激光诱导等离子体的演化特性是研究和优化其超声速稳燃效果的基础。在常规的试验研究中,由于测量手段和试验设备的限制,可以获取的静态空气中多点激光诱导等离子体的后流场信息有限,且激光焦点构型单一。本文采用改进后的Dors模型,对静态空气中多点激光诱导等离子体的演化特性开展了数值模拟研究。基于数值纹影图、温度等值面图、流场压力和温度分布规律图,阐释了静态空气中线形激光焦点构型的多点激光诱导等离子体产生的激波、等离子体内核以及流场相关参数的演化特性;随后通过对等离子体内核的平均温度、体积、比表面积以及流场特征位置的压力进行分析,得到了激光焦点布局形式和间距对多点激光诱导等离子体演化特性的影响规律。结果表明,当激光焦点间距较小(2~4 mm)时,激光焦点间距是影响演化特性的主要参数。

用于激光诱导等离子体点火技术的激光源研究进展

激光诱导等离子体点火是一种新颖的发动机点火方式,这种技术点火位置精确可控,点火延迟时间短,无烧蚀作用,还可实现同时多点点火,能够提高发动机的燃烧效率,具有良好的发展前景。主要针对用于激光诱导等离子体点火技术中的核心元件——激光光源的发展状况及最新成果作了全面的综述,并对该种类型激光器的发展前景进行了展望。

基于主动喷注方式的后缘突扩凹腔激光诱导等离子体点火实验研究

针对马赫数2.92,总压2.6MPa和总温1530K的超声速来流条件,基于主动喷注乙烯的燃料喷注方案,在后缘突扩凹腔燃烧室中开展了激光诱导等离子体点火实验研究。通过采集50kHz的CH*基自发辐射图像,详细观测了火焰传播过程并进而研究了主动式燃料喷注方案对点火过程的影响。研究表明,在激光诱导等离子体点火以后,CH*基强度沿时间的变化会呈现出不同的阶段性特征,大体可以分为四个不同的发展变化阶段(激光激发阶段、初始火焰阶段、过渡阶段和全局火焰阶段)。对于采用凹腔主动式燃料喷注方案,都会经历一个类似的初始火焰形成、减弱、增长和迅速发展成全局火焰的过程,区别在于采用凹腔后壁面燃料喷注方案的初始火焰要更加微弱,而且要经历一个难以观测到CH*基信号的初始火焰沉寂阶段。在全局当量比0.03～0.07的条件下,凹腔前壁面燃料喷注方案要比凹腔后壁面燃料喷注方案更加利于初始火焰的发展,但在形成全局火焰以后会引起较大的波动不利于火焰稳定。

甲烷/氢气/空气混合气激光诱导等离子体点火特性

利用定容燃烧弹实验平台结合高速摄像系统研究初始压力和掺氢比例对甲烷/氢气/空气稀燃混合气激光诱导等离子体点火特性的影响,获得不同条件下的击穿阈值、最小脉冲能量、火核发展图像和燃烧压力曲线变化。研究结果表明:随着初始压力降低,击穿阈值和最小脉冲能量逐渐升高,燃烧峰值压力逐渐下降;随着掺氢比例增大,最小脉冲能量呈下降趋势,燃烧峰值压力和燃烧压力升高率均增大;火核第三瓣结构随着掺氢比例增大被抑制;随着掺氢比例增大,OH,N和O的发射光谱强度增强。在火核发展初期,随着掺氢比例增大,火焰传播速度加快,温度升高速率增大,H_(2)O和OH的摩尔分数增加,温度场以及各种生成物的空间分布更加均匀。

激光诱导光栅表面等离子体增强CdSe量子点荧光

利用532nm皮秒脉冲激光在金纳米光栅表面诱导表面等离子体激发Cd Se量子点荧光,并测量了Cd Se量子点荧光增强效应。分别采用AFM刻蚀方法和自组装方法在硅基金膜表面制备了纳米光栅/Cd Se量子点的多层薄膜结构。通过调节皮秒脉冲激光的功率,在显微拉曼平台上测量了Cd Se量子点的荧光光谱。结果表明,金纳米光栅/Cd Se量子点结构能够实现量子点远场荧光大幅增强,其最大荧光强度达7.80倍,并在达到最大强度点开始迅速饱和。该研究结果可广泛应用于光电器件、生物医学检测研究等领域。

高真空激光等离子体的同步移相干涉诊断及仿真

为了解决在高真空环境下,等离子体膨胀迅速、外围羽流引起的条纹偏移小、单幅干涉条纹图难以检出的问题,采用同步移相干涉测试技术得到了1.333×10-4 Pa和1.333×10-3 Pa真空度下激光诱导铝等离子体电子密度分布;同时采用2维轴对称流体动力学模型,对高真空环境下激光诱导等离子体的膨胀过程进行了数值仿真,得到了电子密度的2维分布,并分析了数值仿真结果存在偏差的原因及改进方法。结果表明,等离子体的中心电子密度在50 ns时下降至1.4×1020 cm-3;数值仿真结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性。该研究为高真空下激光等离子体的研究提供了一定的参考。

激光诱导等离子体光学诊断方法研究综述

激光诱导等离子体是多种工业应用领域的研究热点,然而到目前为止人们对其基本物理过程的认识仍不完善。为此,综述了当前常用的激光诱导等离子体的光学诊断方法,从自辐射探测、关键参数计算、空间折射率分布等角度,分别从原理和技术方面介绍了基于ICCD和条纹相机的可见光快速照相、发射光谱分析、激光阴影/纹影成像、激光干涉、以及汤姆逊散射等方法,并比较了不同诊断方法的优缺点。结合激光诱导等离子体自身的特点,分别指出了使用不同诊断方法时值得注意的地方,以及使用激光阴影、纹影和干涉成像时对激光探针参数的选择依据。给出了几种实验诊断方法的典型结果,并进行了结果的分析与讨论。结果表明:快速照相技术有助于获得直观的等离子体演化图像,而可见光谱诊断则可较为方便的定量获得等离子体特征参数;通过使用激光探针了等离子体的折射率场,有助于进一步分析其空间密度分布;而发展汤姆逊散射诊断技术,则能够获得更为准确和丰富的等离子体微观信息。需要注意的是,当利用可见光谱诊断技术计算分析等离子体参数时,要考虑特定时空环境下等离子体热平衡态的影响;使用激光探针诊断等离子体的折射率场时,要根据具体的等离子体对象选择合适的激光波长、能量、脉宽等探针参数。在未来的研究中,通过综合运用快速照相、空间光谱诊断和激光探针技术,可望进一步深入掌握等离子体中多组分粒子行为以及微观热平衡态的时空演化关系。

激光诱导Al等离子体温度随激光能量变化特性研究

利用ＹＡＧ激光（波长１．０６ μｍ，脉宽为１０ｎｓ）烧蚀Ａｌ靶产生的三条 ＡｌⅢ等离子体谱线 （４５．９２ｎｍ； ４５１．２５ｎｍ； ４１５．０１ｎｍ）；在局部热力学平衡近似下，利用玻尔兹曼图，测定了等离子体电子温度在不 同激光能量下的变化特性．随着激光能量的增加，电子温度从１４８００Ｋ近似单调的上升到２００００Ｋ；随后反而有所 下降．在电子温度达最高时，连续辐射谱强度并未达最大值．同时还观测到，Ａｌ的原子谱线和离子谱线强度随激光 能量有不同的变化特点．利用玻尔兹曼图的最小二乘方拟合，测得Ａｌ Ⅲ谱线４４７．９９ ｎｍ（４ｆ２Ｆ７／２－５ｇ２Ｇ９／２） 跃迁的几率约为（１０．４±０．８）ｘ１０８

基于激光诱导荧光法诊断大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子的时空分布

由于传统辐射光谱法无法对大气压低温等离子体射流中OH自由基和O原子进行定量检测,本文利用自主研制的纳秒脉冲激励针筒型等离子体射流装置,基于单光子和双光子激光诱导荧光法分别对OH自由基和O原子的时空分布进行诊断。结果发现,OH自由基和O原子的寿命时间分别为1ms和3ms,远大于脉冲放电持续时间;采用拟合衰减曲线法,得到OH自由基的绝对密度为1012~1013cm-3;发现离喷嘴口越远,OH自由基和O原子密度越低。然而,即使距离喷嘴口数cm的地方,仍然存在大量的OH自由基和O原子;OH自由基和O原子的密度随激励频率和脉冲电压幅值的增加而升高,随H_2O含量和O_2含量的升高而出现先增大后减小的趋势。其中,当氦气中H_2O含量为0.012%时,OH自由基密度达到最大值。当氦气中O2含量为0.5%时,O原子密度达到最大值。本文研究为调控和优化低温等离子体射流中OH自由基和O原子密度提供重要科学依据。

激光能量对激光诱导Cu等离子体特征辐射强度、电子温度的影响

利用Nd :YAG激光 (波长 10 6 4nm ,脉宽 10ns)烧蚀金属Cu靶获得等离子体。改变激光脉冲能量 ,观测到Cu的原子谱线和离子谱线随激光脉冲能量有不同的变化关系 ,但都在 330mJ/ pulse时 ,谱线强度达到最大 ,随后在 330mJ～ 370mJ/pulse间出现一小平台 ,能量继续增加 ,各谱线强度减小。同时 ,使用烧蚀Cu靶产生的五条原子谱线 (4 6 5 .11nm ,5 10 .5 5nm ,5 15 .32nm ,5 2 1.82nm ,5 2 9.2 5nm)的相对强度 ,在局部热力学平衡近似下 ,利用Boltzmann图的最小二乘法拟合 ,测定了不同激光能量下Cu等离子体的电子温度。随激光能量的增加 ,电子温度近似单调地从 1.0 2× 10 4K上升到 1.4 6× 10 4K后 ,反而有所下降。

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（～25J）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1mm处，而不是在其中心位置。