1 西南技术物理研究所, 成都 610041
2 电子科技大学 基础与前沿研究院,成都 610054
激光诱导等离子体作为一种宽光谱辐射源, 能够产生X射线、紫外、可见、红外、太赫兹以及微波波段的辐射, 可应用于天体物理、惯性约束核聚变、生物医学、材料科学、光谱分析、环境工程、信息技术、超快技术、光刻技术、成像技术、雷达技术、半导体技术等众多领域, 具有较高的实用价值。迄今为止, 有关激光诱导等离子体辐射特性的文献报道大多集中于描述激光与物质在单一波段的相互作用, 对辐射的产生机理还未完全掌握, 对完整光谱的研究综述依然比较缺乏。从电磁辐射光谱及其辐射机制的角度, 对激光诱导等离子体的辐射特性做出了系统的梳理分类, 对国内外相关团队的研究成果进行了总结和分析, 特别从不同视角探究了等离子体与光谱辐射之间的物理关系。介绍了激光诱导等离子体各个波段的辐射特点, 并讨论了影响辐射的相关因素。最后, 对红外波段和太赫兹波段的研究前景进行了展望。
光谱学 辐射光谱 辐射机制 激光诱导等离子体 spectroscopy radiation spectrum radiation mechanism laser-induced plasma
桂林理工大学环境科学与工程学院, 广西桂林 541006
近年来油料火灾污染事故频发危害性极大, 通过分析光谱特性来提取火灾信息已成为研究油料火灾事故的重要途径。目前国内外学者已建立了多种气体辐射和炭黑辐射的模型对燃料燃烧进行研究, 但少有对火焰光谱进行建模深入分析燃烧污染产物光谱特征信息。本文搭建了油料火焰光谱测试平台, 测量了单一尺度下酒精、92号汽油、95号汽油和 0号柴油的火焰光谱, 以及多尺度下 0号柴油的火焰光谱。实验结果表明 3种油料的火焰光谱相似, 随着尺度的增大辐射亮度呈非线性增大。基于统计窄谱带法(statistical narrow band, SNB)构建了油料火焰光谱辐射模型, 通过实验数据验证曲线拟合度达 0.895。利用该光谱辐射模型计算出油料火焰大尺度下的平均辐射亮度与平均透过率、不同烟气浓度下的平均透过率, 能为遥感探测火灾污染及反演污染物浓度提供帮助。
红外光谱 油料火焰 窄谱带 烟气辐射 数值模拟 infrared radiation spectrum, oil flame, narrow ban
固体火箭发动机羽流具有高温、 高速与强辐射特征, 羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。 准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。 随着激光与光谱学的发展, 激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。 辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量, 具有测温范围宽、 响应快及可靠性高等优点, 可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。 在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法, 采用350~1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统, 利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定, 获得响应系数随波长的变化曲线, 并以此用作羽流辐射光谱数据修正。 之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验, 开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量, 选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征, 并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论, 验证在675~745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体, 该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%, 相对均方差为1.53%。 因此, 基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数, 并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。 最后, 开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量, 将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较, 两者最大偏差值为5.40%, 讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征, 并结合温度与辐射率测量结果, 分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、 羽流温度及辐射率的影响。 通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究, 为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。 分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、 温度及辐射率参数的影响, 为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。
辐射光谱 燃烧诊断 测温方法 固体火箭发动机 羽流温度 Radiation spectrum Combustion diagnostics Thermometry Solid rocket motor Plume temperature
北京理工大学 光电学院 目标仿真实验室 精密光电测试仪器与技术北京市重点实验室, 北京 100081
MEMS红外图像转换芯片是一种将可见光转换为红外辐射并用于红外目标模拟器的直接辐射型器件。对MEMS红外图像转换芯片的热力学性能进行研究: 与标准黑体辐射谱对比表明芯片辐射光谱为黑体谱, 红外波段平均发射率0.638; 通过线扩散函数研究芯片横向热传导特性, 其热扩散距离随衬底厚度降低而减小, 在衬底上制作周期性像元阵列可以有效降低其热传导系数, 衬底厚度360nm的刻有像元的转换芯片热传导系数为0.1W/m·K ; 转换芯片的时间特性研究表明其时间常数随衬底厚度减小而变小, 衬底厚度345nm的芯片制冷至5℃时的时间常数为2.72ms。
红外场景生成 MEMS红外转换芯片 热力学性能 辐射光谱 热传导 时间常数 infrared scene generation the MEMS infrared transducer thermodynamic properties radiation spectrum thermal conductivity time constant
1 信阳职业技术学院 汽车与机电工程学院, 信阳 464000
2 西南技术物理研究所, 成都 610041
激光等离子体对精密元件表面微纳米粒子的有效去除, 在纳米科研领域中有很大的应用潜力。为了深入研究激光等离子体对微粒的去除机理和条件, 采用纳秒脉冲激光等离子体, 对硅基底表面的微纳米粒子进行去除实验, 观测了微粒的去除效果, 并理论分析了等离子体的作用效应。结果表明, 等离子体向外辐射宽谱光, 紫外短波部分加速周围空气电离, 使等离子体体积剧增, 并有效提升基底和粒子温度;基底与粒子两者热膨胀度不同, 使粒子更易于从基底剥离; 同时等离子体向周围膨胀扩散形成高压冲击波, 冲击波的压强高达GPa量级, 可以克服微粒与基底之间的范德华力, 而去除微纳米粒子, 尤其对粒径大于0.5μm的去除效果尤其明显; 在实际去除过程中, 等离子体与基底的距离应该保持在0.2mm~2mm之间, 这样既保证了微粒的有效去除, 又不会造成基底的损伤。激光等离子体对微粒的去除效果明显, 是等离子体辐射效应和冲击波效应的综合作用的结果。
激光技术 激光等离子体 辐射光谱 微纳粒子 表面清洗 laser technique laser-induced plasma radiation spectrum micro-/nano-particle surface cleaning
1 中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051
MEMS红外光源是基于微机电系统(MEMS)制造工艺的红外光源器件，为明确 MEMS红外光源的辐射光谱分布特性和温度特性，采用 SR5000光谱辐射计对 MEMS红外光源进行辐射光谱分布特性测试，所得数据表明所选光源的红外光谱分布主要在 3～5 μm之间，中心波长位于 3.6 μm，该波段红外光具有接近 90%的大气透过率；采用红外测温仪和热敏电阻对光源辐射体温度进行测试，结果显示所选 MEMS红外光源温度特性优良，适用范围广泛。
MEMS红外光源 辐射光谱 光谱测试 温度特性 MEMS infrared light source radiation spectrum spectral testing temperature characteristic
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春130022
2 中国兵器装备研究院, 北京100089
3 空军航空大学, 吉林 长春130022
多谱辐射测温是一种非接触温度测量方法, 目前常用的多谱辐射测温只能反演出一个近似温度值, 而无法给出实际的温度分布。 针对此问题, 基于普朗克定律, 采用主成分回归算法, 以强激光毁伤靶材温度测量为例, 在脉冲能量为34.2 J的激光入射条件下, 从热辐射谱中反演出近似温度值为2 700 K, 拟合相对偏差为0.5%, 当温度分布范围为2 600～2 800 K时, 拟合相对偏差减小为0.13%, 减小了温度反演偏差。 首次给出了基于主成分回归方法的温度分布反演, 提高了非接触式温度测量的表征精度。
多谱辐射测温 温度分布 热辐射谱 黑体辐射定律 主成分回归 Multispectral radiation thermometry Temperature distribution Thermal radiation spectrum Blackbody radiation law Principal Components analysis 光谱学与光谱分析
2012, 32(10): 2789
以热辐射谱的温度反演为例，介绍了光谱技术在强激光毁伤过程中的应用。利用自制的高速光谱测量系统，实时采集了毁伤过程中的辐射光谱，基于普朗克黑体辐射原理，反演了毁伤区的温度，并应用主成分回归算法，计算得到了毁伤区的温度分布，实现了强激光辐照靶材过程中瞬态温度和温度分布的测量。光谱测量区在200~1 000 nm时，所对应的温度反演为700~6 000 ℃。
光谱技术 热辐射谱 激光毁伤 瞬态温度 温度反演 spectral technology thermal radiation spectrum laser damage transient temperature temperature retrieval
1 华北科技学院基础部， 北京 101601
2 华北科技学院计算机学院， 北京 101601
3 北京工业大学应用数理学院， 北京 100124
4 重庆师范大学物理与电子工程学院， 重庆 400047
为了深入研究光抽运垂直外腔面发射激光器的增益特性，以InGaAs/GaAs应变量子阱系统为例，建立了将带隙、带边不连续性计算和带结构计算系统结合起来的完整体系，考虑在应变影响下能带及波函数的混合效应。利用有限差分法对含6×6 Luttinger-Kohn哈密顿量的有效质量方程精确求解，得到了InGaAs/GaAs应变量子阱导带、价带的能带结构和包络函数，然后选用Lorentzian线形函数，数值模拟了量子阱的材料增益谱和自发辐射谱。最后讨论了阱宽、载流子浓度、温度等因素对量子阱材料增益的影响，为光抽运垂直外腔面发射激光器的优化设计提供了理论依据。
激光器 应变量子阱 能带结构 材料增益 自发辐射谱 中国激光
2012, 39(s1): s102003
中国科学技术大学 国家同步辐射实验室, 合肥 230029
有效利用电子束在波荡器中运动时产生的谐波辐射, 是获得更短波长辐射最直接的方法之一。提高波荡器磁场的谐波分量可以提高电子束的谐波辐射光场强度。分析了一种改进Halbach型波荡器结构, 计算了其磁场的构成, 分析表明这种结构可以使磁场的三次谐波分量提高至基波分量的25%左右。以合肥光源的电子束参数为例, 计算了波荡器磁场谐波分量增强后对电子束自发辐射谱的影响。计算结果表明, 波荡器磁场谐波分量增强至25%时,可以使电子束自发辐射的三次谐波辐射增强至基波辐射光子通量的67%左右。
波荡器 谐波场 自发辐射 谐波辐射 辐射谱 undulator harmonic magnetic field spontaneous radiation harmonic radiation radiation spectrum
