激光诱导空气等离子体光谱时间演化特性的研究

利用能量为150mJ和500mJ的激光击穿空气获得空气等离子体,依据光谱信息,计算得到等离子体电子温度,密度,并探讨了其时间演化特性,证实了在此过程中,复合相比电离居于主导地位.同时,结果表明:随着延迟时间的增加,谱线强度在300ns内迅速减小,之后缓慢减小;电子密度和谱线强度的变化规律基本一致;电子温度的衰减近似呈现指数拟合线型,并且激光能量越高,电子温度的衰减越慢.

脉冲CO_2激光诱导空气等离子体的光谱诊断

为了了解激光诱导等离子体的演化过程,得到等离子体的相关参量,采用横向激励大气压CO2激光器在抛物反射面中聚焦击穿空气形成等离子体,利用成像光谱仪和增强型CCD探测器对激光诱导等离子体进行了时间和空间分辨的实验分析,取得了激光诱导空气等离子体的时间演化和空间分辨光谱。分别利用氧原子的线状谱和连续谱的比值及谱线半峰全宽计算得到电子温度达到了4×104K,电子密度在1018cm-3量级。结果表明,相比于低能量的激光诱导等离子体的辐射光谱,高能量激光诱导的等离子体则向外辐射出很强的连续光谱,同时,等离子体以激光支持爆轰波的形式快速向外膨胀,由于外围等离子体对激光能量的屏蔽作用,等离子体出现了空间分离的现象。该研究结果对理解等离子体和高能量脉冲激光的相互作用过程是有帮助的。

激光诱导空气等离子体的实验研究

本文利用激光诱导等离子体光谱技术(LIPS)测定一个标准大气压强下的空气所含有的元素成分。假设空气全部由氮和氧元素组成,利用自由定标模型获得空气中氮元素和氧元素的含量。由此验证激光诱导等离子体光谱技术进行定量分析的可行性,为其在等离子体定量分析中的应用奠定基础。

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.

纳秒激光诱导空气等离子体射频辐射特性研究

开展了波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒激光诱导空气等离子体射频电磁辐射特性实验研究,基于锥形天线探测空气等离子体在30-800 MHz频谱范围有较强的射频电磁辐射,是等离子体内电偶极子振荡变速运动造成的.实验结果表明:随激光能量增加,30-200 MHz范围内射频辐射强度逐渐变强,但360-600 MHz频率范围射频辐射强度逐渐变弱.等离子体射频辐射的空间分布依赖于入射激光的偏振方向,当激光偏振方向与天线放置方向一致时,该方向上空气等离子体的射频辐射强度高,谱线较丰富.射频辐射总功率随激光能量先增加后降低,采用等离子体电子密度变化对等离子体频率及等离子体衰减系数影响(制约)关系,对射频辐射总功率随激光能量的变化规律进行了解释.

纳秒激光诱导空气等离子体的红外辐射特性研究

纳秒激光诱导空气等离子体存在从紫外、可见、近红外乃至射频微波的宽谱段辐射,但目前的研究大多关注紫外到可见波段的光谱辐射。激光等离子体作为一种新型的红外辐射源具有很多优势,相比于红外干扰弹以及红外干扰手段而言,空气等离子体红外辐射源可以灵活布置,成本低廉,因此研究空气等离子体的红外辐射特性就很有必要。针对目前脉冲激光诱导空气等离子体的红外干扰研究需要,对激光波长为532nm的纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的红外辐射特性进行实验研究,探讨激光能量对空气等离子体红外辐射强度的影响规律,以及空气等离子体红外辐射的角度分布特性,分析了等离子体红外辐射的可能产生机制。实验结果表明,激光诱导空气等离子体在950~1700nm范围内的红外光谱为线状谱和连续谱的叠加。其中线状谱主要是氮和氧的中性原子谱线,并且氮原子红外辐射占主导。随着激光能量的增加,由于空气击穿产生的氧和氮原子数量增加,导致空气等离子体红外辐射的谱线强度逐渐增大。随着红外探测角度的变化,在探测角度为75°时,OⅠ1128.63nm和NⅠ1246.96和1362.42nm谱线强度达到最大,在探测角度为120°时,NⅠ1011.46和1053.96nm谱线强度达到最大,这是因为空气等离子体红外辐射强度随探测角度变化呈现空间非对称性,表明空气等离子体内不同粒子的空间分布呈现非对称性。

纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的近红外辐射特性

开展纳秒激光诱导空气等离子体近红外辐射特性的实验研究,对波长为532 nm的脉冲ns激光诱导产生的空气等离子体的近红外光谱进行测量.结果表明:空气等离子体的近红外辐射在光谱范围为1100-2400 nm内由连续谱和线状谱组成,光谱指认表明线谱主要来源于N,O原子的中性原子谱和氮分子的振动光谱.通过对连续谱的分析得知,黑体辐射是连续辐射的主要来源.空气中波长1128 nm附近的辐射,可能是N和O中性原子谱的贡献.保持真空腔内气压不变,改变腔内氮气和氧气气体组分含量,分析测得的红外光谱数据,可知混合气体中氧气和氮气含量变化只对波长为1128 nm附近的辐射有影响.利用二元线性回归分析对数据进行分析后得知,氧气对波长为1128 nm附近的辐射贡献较大.最后从电离难易的角度分析造成这一结果的原因.

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。

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。

纳秒激光诱导等离子体辅助烧蚀的玻璃表面金属化图案电路研究

激光诱导等离子体辅助烧蚀(LIPAA)在玻璃表面金属化制备中具有经济、环境友好且高效的优点,本文研究在纳秒激光下以金属铜作为牺牲靶材于玻璃基板上采用LIPAA工艺实现金属化图案电路的可行性。为此,首先对逐行扫描LIPAA制备的玻璃基板上金属化图案电路的导电性能进行详细探讨。针对氧化致其导电率下降的弊端,进一步采用氢气还原对其进行后处理优化,并结合扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对电路性能进行分析,揭示了纳秒激光LIPAA方法制备的玻璃金属化图案电路表面的形貌特征及电阻率的变化规律。结果表明,通过激光图案化去除工艺对玻璃表面金属层进行直接烧蚀,可以在玻璃表面制备精细图案化电路。同时,采用化学氢气还原法可克服金属层氧化严重影响电路电阻率这一弊端。化学氢气还原后的平均电阻率仅为8.18×10^(-7)Ω·m,大幅地提升了玻璃表面图案化电路的导电性,具有广阔的应用前景。

基于纳秒激光诱导等离子体辅助烧蚀的玻璃表面金属化实验研究

由于激光诱导等离子体辅助烧蚀(LIPAA)在玻璃表面金属化加工中具有经济、环境友好且高效的特点,该文研究了在纳秒激光下以金属铜作为牺牲靶材,于玻璃基板上采用LIPAA工艺实现直接平面金属化的可行性。为此,对逐行扫描LIPAA制备的玻璃基板上平面金属层的形态和化学成分进行了详细表征;进一步,结合扫描电子显微镜及X射线能谱分析仪对试件在不同激光扫描速度、线间距、激光功率及频率下金属化的表面形貌演变进行了深入分析,揭示了以上加工参数对玻璃表面金属化覆盖率及形貌的影响规律。实验结果表明,当激光功率为20 W,激光频率为20 kHz,激光扫描线间距为2.5μm,扫描速度为300 mm/s时,玻璃表面的金属化可实现全区域覆盖且厚度适中。

激光诱导等离子体光谱直接探测气溶胶中的锶元素

气溶胶中锶元素的监测对于大气污染防治和工业设施排放监控具有重要意义。激光诱导等离子体光谱技术具有无需采样预处理、可原位快速检测等优势,在环境介质成分直接在线监测方面具有极大的应用潜力。介绍了基于实验室搭建的LIPS装置开展的气溶胶中锶元素的直接探测工作。利用整体平均法对气溶胶等离子体进行光谱分析,结果显示实验装置对锶元素的检测限为809μg/m3。对于低密度气溶胶光谱,条件分析法可以将平均光谱的信噪比提升8倍。基于实验结果讨论了含锶气溶胶统计学特性和数据分析方法的影响。气溶胶中颗粒物的密度对等离子体温度的影响极小,光谱强度变化直接反应了激光激发气溶胶颗粒物的数量。通过对条件分析法使用范围的讨论,提出在测量周期内利用累计光谱取代平均光谱,可将系统的灵敏度提升近3个数量级。实验装置的检测限达到1.3μg/m^(3),初步满足工业排放监测的需求。