等离子体屏蔽和稀疏波对冲量耦合系数的影响

利用脉冲Nd:YAG激光作用在铝、铜靶上,研究了不同入射激光能量下冲量耦合系数和离焦量之间的关系,以及不同功率密度情况下冲量耦合系数和光斑直径的关系。实验表明铝靶在入射激光脉冲能量由75.8 mJ增加到382.3 mJ时,冲量耦合系数峰值对应的最佳离焦量由-10 mm处远离焦点向透镜方向移到-18 mm,而对应的激光功率密度仅由2.0×109W/cm2增加到3.9×109W/cm2;铜靶实验规律和铝靶类似。等离子体屏蔽的吸收作用导致了冲量耦合系数达到最大值后迅速降低。铝靶在入射激光功率密度由0.7×109W/cm2增大到1.0×1010W/cm2时,冲量耦合系数随光斑直径增大而增大,对应变化斜率由5.2×10-5N.s/(mm.J)增大到49.2×10-5N.s/(mm.J),表明了稀疏波对冲量耦合系数的削弱作用随入射激光功率密度增加而增加,随光斑直径增大而减小。

等离子体屏蔽效应对类氢离子束缚态的影响

在Debye屏蔽近似下,通过求解Schrdinger方程,计算了处于等离子体中的类氢离子的束缚态能量本征值与本征函数.研究了氢原子和类氢Fe^(25+)离子的nl(n=1-4,l=0-3)态能级随Debye屏蔽长度λ的变化规律.进一步,分析了等离子体屏蔽效应随主量子数n及角量子数l的变化规律,发现对于给定的l,等离子体屏蔽效应随主量子数n的增加而增大;对于给定的n,等离子体屏蔽效应随角量子数l的增大而减小.最后,我们分析了等离子体环境中类氢等电子序列离子的能级和波函数随屏蔽参数λ的变化规律,发现随着原子序数增大,等离子体屏蔽效应的影响逐渐变小.

低碳钢CO_2激光焊接光致等离子体屏蔽的实验研究

采用20kWCO2激光加工机焊接st37－2钢，研究了辅助气体种类、气体流量以及聚焦激光束的离焦状态对等离子体屏蔽的影响。结果表明，不同辅助气体时等离子体屏蔽临界功率密度存在很大差异，由小到大的顺序为：Ar→N2→CO2→He。He良好的控制等离子体的能力不仅在于He高的电离能不易形成LSC波，更主要地在于He良好的导热性能抑制了LSC波的扩展。增大辅助气体流量或采用负离焦均可以在一定程度上减小等离子体屏蔽对焊接过程的影响。

等离子体屏蔽效应对类氢离子能级结构和辐射跃迁性质的影响

在Debye-Hckel屏蔽近似下,基于相对论Dirac-Fock方法,发展了包括等离子体屏蔽效应的自洽场计算程序.使用该程序研究了等离子体屏蔽效应对类氢离子能级结构和辐射跃迁性质的影响.结果表明,当原子处于等离子体环境中,所有束缚态能级向连续态移动,移动量随着屏蔽长度的减小而增大.振子强度随屏蔽长度的变化也表现出了相同的规律.进一步分析了相对论效应和等离子体屏蔽效应的耦合,发现对于中Z元素,相对论效应和等离子体屏蔽效应存在较强的耦合.讨论了等离子体屏蔽效应对原子精细结构能级的影响.计算发现,由于等离子体屏蔽效应,原子的能级次序发生了变化,κ简并被消除.

激光诱导等离子体屏蔽冲击波演化过程

开展了激光诱导等离子体屏蔽冲击波演化过程研究。利用光学阴影成像诊断技术,分析了纳秒激光透过玻璃聚焦在铝靶表面上分别产生的等离子体与冲击波碰撞的时间和空间演化过程。随着玻璃与铝靶间距增加,冲击波碰撞时间增加。研究结果表明,冲击波相互碰撞时本身并不发生相互作用,而是等离子体与冲击波发生作用,出现冲击波波前畸变甚至破碎现象,存在等离子体屏蔽冲击波过程,最后探讨分析了等离子体屏蔽冲击波物理机制。

纳秒脉冲激光斜入射辐照铝靶等离子体羽流及微冲量特性研究

为研究脉冲激光斜入射烧蚀铝靶冲量耦合机理,直接测量其宏观冲量耦合特性是其中一种手段,但激光烧蚀包含多种物理过程,仅仅研究其宏观力学性能难以深入分析冲量形成机理,脉冲激光烧蚀形成的等离子体羽流喷射是诱发力学效应的重要过程,因此,在研究宏观力学性能的基础上,通过开展脉冲激光斜入射烧蚀铝靶等离子体羽流及发射光谱特性测量研究,深入分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理。围绕单脉冲1064nm激光斜入射烧蚀铝靶开展研究,首先通过构建高速摄影测量系统和发射光谱测量系统,获得了典型激光能量密度斜入射烧蚀铝靶产生的等离子体羽流图像、等离子体光谱图像和等离子体发射光谱,基于等离子体发射光谱,利用Boltzmann作图法和Stark展宽法,分别研究了脉冲激光多种斜入射角度下等离子体温度、电子数密度随能量密度的变化关系;通过搭建扭摆微冲量测量系统,研究了脉冲激光多种斜入射角度下,沿着激光入射方向的冲量耦合系数随能量密度的变化。研究中遵循从羽流微尺度演化过程到冲量宏观力学性能测量分析的研究思路。实验结果表明,随着能量密度的增加,等离子体羽流发光强度增强,羽流离化程度增加,等离子体温度、电子数密度均先迅速增加,冲量耦合系数也迅速增加;当能量密度大于15 J·cm^(-2)时,由于等离子体屏蔽效应,等离子体温度、电子数密度均逐渐趋于饱和,最终导致冲量耦合系数随着能量密度的增加而减小;此外,随着入射角度的增加,等离子体温度、电子数密度均逐渐减小,导致冲量耦合系数也随之减小。研究结果表明,利用高速摄影和发射光谱可较好地分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理,研究结果可为激光空间碎片清除、空间微推力器、空间非合作目标消旋等空间应用的关键参数优化提供参考。

等离子体屏蔽效应对原子能级和振子强度的影响

利用Debye模型,研究了等离子体屏蔽效应对热等离子体中原子能级和振子强度的影响.通过在MCDF模型中引入等离子体屏蔽效应,计算了MnXXⅡ-BrXXⅡ等11个类Be离子在等离子体环境下2s2—[2s1/2,2p1/2]1和2s2—[2s1/2,2p3/2]1跃迁的能级和振子强度.计算结果表明,等离子体屏蔽效应使得类Be离子2s2—[2s1/2,2p1/2]1跃迁的激发能量增大,从而导致谱线蓝移现象;并且随着屏蔽效应的不断增强,蓝移的程度会逐渐加大.屏蔽效应对于2s2—[2s1/2,2p3/2]1跃迁的振子强度也有类似的影响.

等离子体屏蔽对He^(2+)与H原子碰撞电离微分截面的影响

应用经典径迹Monte Carlo(CTMC)方法研究了He2+与H原子在等离子体环境下的碰撞电离过程,计算了在5—400keV/u的能区随等离子体屏蔽作用变化的碰撞电离总截面和一阶微分截面.等离子体中带电粒子之间的相互作用采用Debye-Hückel模型来描述.由于等离子体屏蔽效应的存在,靶中束缚态电子能级及其经典微正则分布以及入射离子与靶电子的相互作用都发生了变化,而这些变化会直接影响碰撞电离过程.研究发现,碰撞电离总截面随等离子屏蔽的增加而增大,特别是在10keV/u以下的低能区电离截面有量级的增加.对随能量变化的一阶微分截面,在低能碰撞过程中,屏蔽作用增加,微分截面呈量级增加,高能碰撞微分截面呈倍数增加.同时,屏蔽作用导致电离电子向高能方向移动,随着碰撞能量的增加两体碰撞机制的贡献越来越大,并在较高的出射电子能量出现了一个新的峰.对无屏蔽的自由原子碰撞过程,CTMC方法计算出的电离总截面在碰撞能量大于70keV/u的较高能区在实验误差内与实验测量结果符合很好,而在较低的能区比实验值小30%—50%.

等离子体中电子弹性散射截面及电导率计算

本文研究了近理想等离子体中的电子弹性散射过程.利用Debye-H櫣ckel模型考虑等离子体环境对电子与离子间相互作用的屏蔽效应.结合分波法计算了不同Debye长度情况下,电子与不同核电荷数离子散射的分波相移和微分散射截面.研究了散射波函数、分波相移和微分截面随等离子体屏蔽参数的变化规律.最后,基于Spitzer公式,初步讨论了分波法计算的等离子体的电导率与卢瑟福公式计算的电导率之间的区别.

激光等离子体诱导蚀除眼内病体组织的机理分析

本文分析了激光等离子体诱导蚀除眼内病体组织的物理机理 ,并从理论上解释了等离子体诱导蚀除手术对周围组织副作用极小的关键原因是激光等离子体所具有的屏蔽机制 ,最后提出了更有效蚀除即把副作用降低到最低限度的解决办法。

眼组织细胞内的激光等离子体诱导蚀除

文章对眼组织细胞内的激光等离子体诱导蚀除的发展现状、物理机理及未来趋势做了综合评述,并从理论上解释了眼组织内等离子体的屏蔽机制,同时提出了更有效蚀除即把副作用降低到最低限度的解决办法。

电感耦合等离子体质谱法测定高纯五氧化二铌中25种痕量杂质元素

采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定高纯五氧化二铌中痕量Mg、K、Ca、Cr、Fe时,因质谱干扰严重,从而导致其背景等效浓度值(BEC)较高进而无法准确测定。实验采用氢氟酸-硝酸体系以微波消解方式消解样品,以标准加入法补偿基体效应,控制基体质量浓度为500μg/mL,建立了ICP-MS测定高纯五氧化二铌中包括Mg、K、Ca、Cr、Fe在内的25种痕量杂质元素的分析方法。研究表明:采用屏蔽矩冷等离子体技术,在500μg/mL的五氧化二铌基体溶液中,Na、Mg、Al、K、Ca、Cr、Fe、Cu、Co、Ni、Mn的BEC得到明显改善,尤其是Mg、K、Ca、Cr、Fe的BEC改善效果最为显著,由常规模式下的56.5～194ng/mL降至冷等离子体模式下的0.012～0.203ng/mL;使用经实验室亚沸蒸馏提纯的电子级氢氟酸及硝酸可有效地降低试剂空白值。各元素校准曲线线性相关系数均大于0.999 0;方法中各元素的检出限在0.001～0.010μg/g之间,测定下限在0.003～0.033μg/g之间。采用实验方法对高纯五氧化二铌样品中25种杂质元素进行测定,结果表明,各元素测定结果的相对标准偏差(RSD,n=11)为0.90%～12.7%,回收率为91%～111%。方法应用于两批纯度为99.999%的超高纯五氧化二铌实际样品分析,结果与辉光放电质谱法(GD-MS)基本一致。

等离子屏蔽效应下飞秒激光照射金箔的分子动力学模拟

采用耦合了双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光烧蚀金箔的传热过程进行了模拟研究,考虑了非傅里叶效应,探究了不同激光能流密度下等离子体羽流的屏蔽作用.根据密度分布将激光烧蚀过程中的金箔划分为过热液体层、熔融液体层和固体层,并比较了不同激光能量密度下过热液体层表面发生的相爆炸沸腾现象以及表面温度的变化情况.结果表明,随着激光能量密度的增大,等离子体的屏蔽比例几乎呈线性增大.在激光的烧蚀过程中,金箔的上表面最先经历液体层以及过热液体层,并且随着时间的推移,液体层和过热液体层逐渐向金箔底部移动.过热液体层发生体积移除的相爆炸沸腾是金箔烧蚀的主要方式,随着激光能量的增大,爆炸沸腾发生的时间提前,并且结束的时间相应延后,持续时间变长.

高斯与平顶光束纳秒脉冲激光物质蒸发烧蚀动力学仿真研究

基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型,仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响.结果表明:等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响,屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期.对于3种激光轮廓,高斯光束的屏蔽效果最强,随着整形后的平顶光束直径的增大,屏蔽效果逐渐减弱.平顶光束与高斯光束作用下,靶材温度的二维空间分布较为不同.高斯光束作用时,靶材中心最先升温,随后温度沿径向和轴向扩散.由于平顶光束的能量分布更加均匀,因此一定径向范围内的靶材同时升温.光束整形对靶材的蒸发烧蚀动力学影响较大.对于高斯光束,靶材中心先烧蚀,随后产生径向烧蚀.由于整形后平顶光束的能量密度降低,因此靶面蒸发时间较高斯光束延后,并且一定径向范围内的靶材同时发生蒸发烧蚀.3种激光轮廓下,靶材的蒸发烧蚀形貌与光束的强度分布类似,其中高斯光束的烧蚀坑呈中间深两边浅的特点,平顶光束的烧蚀坑较为平坦.

电感耦合等离子体质谱法测定高纯氟钽酸钾中15种痕量杂质元素

使用硝酸及氢氟酸混合酸低温加热溶解样品,采用耐氢氟酸进样系统,应用屏蔽矩冷等离子体技术消除^(24)CC+、^(52)ArC+、^(56)ArO+等多原子离子对Mg、Cr、Fe等元素的干扰,以标准加入法定量,从而建立了电感耦合等离子体质谱法测定高纯氟钽酸钾中15种痕量杂质元素的分析方法。方法中各元素的检出限(3 s)在0.003 9μg/g～0.089μg/g之间。采用所建立的方法测定高纯氟钽酸钾中的15种痕量杂质元素,测定值的相对标准偏差(RSD,n=11)在1.08%～13.5%之间,加标回收率在91%～109%之间,可满足高纯氟钽酸钾中15种痕量杂质元素的分析要求,分析结果与电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)对照,结果相符。

高超声速飞行器高温流场对激光武器毁伤效应的影响

以美国ABL系统激光武器为例,分析了高超声速飞行器高温流场气体影响激光武器毁伤效应的一些主要因素,包括气体击穿、等离子体屏蔽效应、烧蚀产物颗粒的影响。结果表明:通常情况下,流场电子数密度小于1017cm-3,流场本身等离子体特性不会引起对激光的等离子体屏蔽效应;只有在0.5 km射程以内和宽脉冲激光引起的高压流场(约10 MPa以上)气体击穿,才会导致明显的等离子体屏蔽效应,但在实际战场条件下这种情况一般不会发生;对采用烧蚀手段进行防热的飞行器而言,飞行高度大于10 km,并且基于自由来流流量的无量纲化烧蚀流量小于10-2左右时,烧蚀产物颗粒不会引起激光的衰减。

纳秒激光对铜靶环形损伤的实验研究

研究了光强环形分布的纳秒脉冲激光对焦前铜靶的损伤形貌随脉冲功率密度的变化规律,发现在不同功率密度下,铜靶的环形损伤中,凹、凸纹的空间周期及凹凸对比度,随脉冲能量显著变化.使用熔融、蒸发、等离子体吸收和屏蔽及冲击硬化的观点,定性地解释了不同脉冲能量激光作用下烧蚀区不同形貌的成因.

脉冲激光烧蚀固体:从正常蒸发转变到相爆炸

本文系统地讨论了脉冲激光烧蚀固体材料时,随激光能量密度的增加,从正常蒸发转变到相爆炸的全过程。首先提出正常蒸发情况下的烧蚀模型,利用此模型,基于Ni靶材,得到激光的透射率随时间的演化规律,以及烧蚀厚度随激光能量密度的变化规律,将所得结果比实验值进行了详细地比较分析,发现我们的结果与实验值达到令人满意的吻合。其次,还讨论了脉冲激光烧蚀靶材时,随激光能量密度变化,烧蚀过程中将出现的亚表面加热,正常沸腾及相爆炸现象。

激光波长对煤激光诱导击穿光谱特性影响的试验研究

我国电站入炉煤种复杂多变,实时快速获取煤质成分对保障锅炉的安全、高效、低污染运行具有重大意义。将激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于燃煤煤质测量,观测了不同波长激光(355,532和1 064nm)诱导产生的等离子体时间演变特性和不同电离特性元素的谱线时间特性,对比了出现屏蔽效应时的能量阈值随激光波长的变化特征,并研究了激光波长对煤LIBS光谱特性的影响规律。结果发现:使用532nm激光作为激发光源时,煤LIBS光谱具有最强的谱线信号强度,且出现等离子体屏蔽效应的能量阈值也较高,是一种较理想的激发光源,为LIBS技术在煤质测量领域的工业应用提供了实验依据。

基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀金属模型

为了分析飞秒激光烧蚀过程,在双相延迟模型的基础上建立了双曲型热传导模型.模型中考虑了靶材的加热、蒸发和相爆炸,还考虑了等离子体羽流的形成和膨胀及其与入射激光的相互作用,以及光学和热物性参数随温度的变化.研究结果表明:等离子体屏蔽对飞秒激光烧蚀过程有重要的影响,特别是在激光能量密度较高时;两个延迟时间的比值对飞秒激光烧蚀过程中靶材的温度特性和烧蚀深度有较大的影响;飞秒激光烧蚀机制主要以相爆炸为主.飞秒激光烧蚀的热影响区域较小,而且热影响区域的大小受激光能量密度的影响较小.计算结果与文献中实验结果的对比表明基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀模型能有效对飞秒激光烧蚀过程进行模拟.