1 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,西安 710048
2 西安外事学院 工学院,西安 710077
为了研究纳秒脉冲激光与铝靶碎片的相互作用规律,建立了纳秒脉冲激光辐照铝靶碎片的动态响应仿真模型,采用COMSOL软件分析了不同作用时间和不同入射激光功率下的等离子体反喷羽流动力学特性,得到了不同激光参数变化对脉冲激光辐照铝靶碎片产生等离子体反喷羽流的演化规律。结果表明,相同脉冲激光功率作用下等离子体羽流反喷速度随作用时间的增加而增大; 相同脉冲激光时间作用下,随着激光功率增加,等离子体反喷羽流的最大速度也不断增大; 由于受等离子体屏蔽效应的影响,反喷羽流速度在25 μs附近达到最大,在700 kW时最大速率为1.87×104 m/s,此时等离子体反喷羽流扩散半径增加了17 mm。该研究为纳秒脉冲激光辐照铝靶空间碎片降轨移除工程化应用提供了理论参考。
激光技术 等离子体羽流 数值模拟 反喷速度 空间碎片 laser technique plasma plume numerical simulation expansion velocity space debris
航天工程大学宇航科学与技术系, 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
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。
激光烧蚀 斜入射 等离子体羽流 高速摄影 发射光谱 等离子体屏蔽 冲量耦合 Laser ablation Oblique incidence Plasma plume Fast photography Optical emission spectroscopy Plasma shielding Impulse coupling
强激光与粒子束
2022, 34(1): 011006
河北大学物理科学与技术学院, 河北 保定 071002
大气压等离子体射流因其产生的等离子体羽富含活性粒子而在废水净化、 元素探测、 材料处理等方面具有良好的应用前景。 通常等离子体羽的直径较小, 限制了其工作效率。 针对于此, 利用交流电压激励大气压氩气等离子体射流, 产生了直径约为14 mm的大尺度均匀等离子体羽。 采用发射光谱法对电子密度和氧原子浓度随不同实验参数的变化关系进行了研究。 光电测量结果表明, 当外加电压峰值或氩气流量增加时, 等离子体羽发光亮度增加。 当电压峰值较低时, 等离子体羽的上下游在电压的每个周期均有两个光脉冲信号, 且上游光信号强度比下游的大。 随着电压峰值增大, 上下游等离子体羽的光信号强度都增大。 当电压峰值较高时, 上下游等离子体羽的光信号在每个电压周期呈现三个放电脉冲。 不论每个电压周期放电脉冲数目多少, 上下游等离子体羽的发光信号均具有同步性。 利用光谱仪采集了300~800 nm范围内上下游等离子体羽的发射光谱, 发现它们中均含有OH和N2的谱线及ArⅠ和OⅠ谱线。 其中, 上游等离子体羽的ArⅠ谱线强度比下游的大, 但OH和N2的谱线强度比下游的小。 利用谱线强度比对上、 下游等离子体羽的电子密度进行了研究。 结果表明, 上游等离子体羽的电子密度在1014 cm-3量级, 高于下游羽的电子密度(1013~1014 cm-3量级)。 并且, 上游和下游等离子体羽的电子密度均随外加电压峰值的升高而增加, 随氩气流量的增加而增加。 利用光化线强度法, 研究了下游羽中氧原子浓度随实验参数的变化规律。 结果表明, 氧原子浓度沿气流方向降低; 对于一个等离子体羽, 平均而言氧原子浓度随外加电压峰值升高而增加, 随氩气流量增加而增加。 对于以上实验现象, 利用气体放电的基本理论进行了定性解释。
等离子体射流 等离子体羽 发射光谱 光化线强度法 氧原子浓度 Plasma jet Plasma plume Emission spectrum Optical actinometry Concentration of oxygenatom 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2644
强激光与粒子束
2021, 33(6): 065020
华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 武汉 430074
为了研究激光诱导液滴等离子体特性, 基于脉冲激光与液滴的同步作用, 采用直接成像法和阴影法研究了液滴等离子体羽辉膨胀特性及激光作用液滴的运动情况。首先采用增强型电荷耦合器件直接成像法, 研究了水滴等离子体的羽辉随时间的演化, 其次利用阴影法研究激光作用水滴的阴影图像的演化, 观察到激光作用水滴产生的冲击波及液滴团簇的变化, 分析计算了冲击波膨胀距离随时间的变化和膨胀速度。结果表明, 激光诱导水滴等离子体的膨胀形状近似为椭圆, 其中沿激光入射方向的一侧辐射强度较高, 100ns内等离子体的膨胀变化近似为线性膨胀, 100ns后膨胀趋于稳定, 冲击波膨胀半径随时间线性增长, 冲击波的膨胀速率约为90m/s。此研究结果可为激光诱导液滴实验提供一定的参考依据。
激光技术, 液滴等离子体羽辉, 阴影法, 液滴靶 laser technique droplet plasma plume shadow method droplet target
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Research Center for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Keldysh Institute of Applied Mathematics, Russian Academy of Sciences, Moscow 125047, Russia
Laser-induced discharge plasmas (LDPs) have the potential to be inspection and metrology sources in extreme ultraviolet (EUV) lithography. An LDP EUV source was developed to avoid tin electrode erosion in which a tin pool was used as a cathode. A CO2 pulse laser was focused on the liquid tin target surface, and then a breakdown occurred in a very short time. The voltage-current characteristics of the discharge oscillated, lasting for several microseconds, and an RLC fitting model was used to obtain the inductance and resistance. An intensified charge-coupled device (ICCD) camera was used to investigate the dynamics of LDP, which can explain the formation of a discharge channel. The EUV spectra of laser-induced liquid tin discharge plasma were detected by a grazing incident ultraviolet spectrometer, compared with a laser-produced tin droplet plasma EUV spectrum. To explain the EUV spectrum difference of laser-induced liquid tin discharge plasma and laser-produced tin droplet plasma, the collision radiation (CR) model combined with COWAN code was used to fit the experimental EUV spectrum, which can estimate the electron temperature and density of the plasma.
laser induced discharge plasma voltage-current characteristics liquid tin plasma plume extreme ultraviolet spectra Chinese Optics Letters
2020, 18(5): 051405
华中科技大学 武汉光电国家实验室, 武汉 430074
为了研究C2的演化规律, 采用增强型电荷耦合器件（ICDD）直接成像法, 通过Nd∶YAG激光器烧蚀石墨靶, 使用窄带通滤波片分辨出C2和C+的发射位置, 研究了在不同空气压力条件下, 脉冲激光诱导石墨等离子体中C2和C+的发射特性。当空气气压为10-2Pa和3Pa时, C2发射峰值位于靶材附近, 此时C2的形成主要为靶材的直接发射; 气压增大至50Pa时, 由于气相重组反应加强, 等离子体前端出现另一个C2的发射峰值, 其峰值位置与C+一致,并且其逐渐占C2发射的主导地位, 此时C2的形成主要来源于重组反应, C+发射光强要大于C2; 当气压进一步增大至130Pa时, 气相重组反应增加, 在等离子体前端出现C2的发射强度增强, 在1.3μs之后, C2的发射强度大于C+。结果表明, 随着气压的变化, C2的发射峰值位置和强度发生明显变化。这一结果对碳等离子体沉积碳纳米材料原理研究是有帮助的。
激光技术 碳等离子体羽辉 增强型CCD成像 C2自由基 laser technique graphite plasma plume intensified CCD imaging C2 free radical
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130000
为研究样品温度变化对激光诱导击穿铝(Al)等离子体特征参数的影响,采用双脉冲激光器诱导激发在中频炉中加热的Al样品形成等离子体,对比分析了样品温度变化时不同特征谱线强度的变化;分析了CCD相机采集的不同样品温度下等离子体羽的形态变化;在局部热力学平衡条件下,用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析了等离子体电子温度和电子密度随样品温度的演化规律;使用Lorentz线型拟合分析了随样品温度变化的不同谱线的半峰全宽(FWHMs)。研究结果表明,等离子体羽的形态大小变化可以作为其电子温度和电子密度等特征参数随样品温度变化的直观反映;随着样品温度升高,等离子羽形态、谱线强度、FWHM、电子温度和电子密度都增大至饱和状态,并且样品温度对离子线和原子线的谱线强度和FWHM有不同的增强效果。
激光光学 双脉冲激光诱导击穿光谱 样品温度 等离子体羽形态 电子温度 电子密度 半峰全宽 激光与光电子学进展
2018, 55(2): 021401
1 江西省果蔬采后处理关键技术及质量安全协同创新中心, 江西 南昌 330045
2 2江西省现代农业装备重点实验室, 江西 南昌 330045
为了对脐橙产地进行快速鉴别, 提出了激光诱导击穿光谱(LIBS)全光学诊断方法。选取江西赣州4区县及湖北、四川等6省市共10产地的纽荷尔脐橙, 清洗表皮后直接采集等离子体羽时间演变形貌图及LIBS光谱, 定性分析脐橙产地鉴别的可行性; 采用15点平滑结合多元散射处理(15SM+MSC)预处理脐橙的LIBS光谱, 分别运用主成分分析(PCA)、主成分分析结合多层感知器神经网络(PCA-MLP)鉴别脐橙产地。实验结果显示：采用一定的数据预处理方法结合PCA-MLP对全国7省市大地域范围脐橙产地鉴别的训练集总准确率为97.8%, 预测集总准确率为95.3%; 对赣州4区县小地域范围脐橙产地鉴别的训练集总准确率为100%, 预测集总准确率为96.2%。这说明, 采用合适的数据预处理及分类模型对脐橙产地进行快速鉴别具有一定的可行性。
光谱学 脐橙 产地鉴别 等离子体羽 激光与光电子学进展
2018, 55(9): 093003
