针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性, 采用基于流体模型的COMSOL软件仿真, 建立一维等离子体放电模型, 以Ar为工作气体, 研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极, 实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱, 进而计算等离子体的电子温度及电子密度; 利用玻耳兹曼双线测温法, 得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明: 当气体压强为250 Pa、输入功率为100～450 W时, 等离子体电压电流呈线性关系, 电子密度随功率的增大而增大, 而电子温度并未随功率的变化而有明显变化, 其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性, 通过比较, 三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数, 提出了结合三种方法作为实验研究的方法, 使实验结果更具说服力, 证明其方法的可靠性, 也为进一步的等离子体特性研究提供依据。

利用发射光谱法测量大气压He-Ar混合气体射频容性放电中的Ar亚稳态1s5(3s23p54s［3/2］2)粒子数密度。在不同的放电功率和气体组分下测量放电等离子体中的重要参数: 气体转动温度、电子激发温度和Ar亚稳态1s5粒子数密度。结果表明: 气体温度在不同放电功率及Ar气压在5×103 Pa以内时变化不大,范围为300~350 K; 电子激发温度随着放电功率的增加而增加,并且在Ar气压为4×103 Pa时最大,在放电功率为70 W时达到0.58 eV; 1s5粒子数密度随着放电功率以及电子激发温度的增加而增加,在放电功率为70 W、Ar气压为4×103 Pa时达到1.53×109 cm-3。

为了研究射频板条CO2激光器射频频率波动对输出光束的影响，采用等效电路分析和实验测量的方法研究了射频频率对激光器输入输出特性的影响。计算得到射频频率变化2MHz时引起的阻抗实部变化率为0.01%，说明射频频率漂移对放电部分等效电路参量影响很小。射频频率采用79.4MHz，80.0MHz，80.7MHz，81.4MHz，82.0MHz和82.7MHz，以设计频率81.4MHz对应的输出功率为基准,占空比设置为80%时，频率漂移 1MHz则激光功率下降约150W。激光功率随频率变化趋势与理论结果一致。结果表明，射频频率变化引起的阻抗匹配问题是导致输出功率波动的主要原因，可以通过改进匹配网络来克服射频频率的波动对激光器性能的影响。

采用SiH4, C2H4和Ar在射频容性耦合柱状放电室中产生了尘埃颗粒, 利用发射光谱测得射频尘埃等离子体放电室中的一些基本碎片的发射光谱, 并给出了这些碎片的光发射强度随着实验条件变化的曲线。随着功率和气压的增加, 碎片的光发射强度逐步增加, 尤其是随功率增加得更快, 这说明功率对硅烷和乙烯的离解作用明显。随着硅烷和乙烯流量的增加, 碎片的光发射强度随之下降。利用朗缪尔探针的实验结果得出尘埃密度的变化趋势, 给出了尘埃密度随射频功率变化的曲线, 其结果与硅烷和乙烯的离解变化趋势基本吻合。

大气压射频等离子体是近几年发展起来的一种新型非平衡等离子体。 以氮气掺杂少量氩气为放电气体, 实现了大气压射频介质阻挡放电。 利用发射光谱对放电进行在线诊断研究, 并分析谱线线型, 从中分离出谱线的Stark线型, 从而计算出放电通道的电子密度。 研究了单个放电通道中电子密度的空间分布并测量了通道同一位置的电子密度随放电输入功率的变化。 结果显示, 在放电通道中部, 当放电输入功率由138 W增加至248 W, 电子密度由4.038×1021 m-3升高至4.75×1021 m-3。

基于1维流体力学模型, 对大气压射频裸露金属电极氩气放电过程进行了研究。模型中考虑了氩等离子体放电过程中主要发生的激发和电离等7个反应过程, 对等离子体反应产生的主要粒子, 包括电子、氩原子离子Ar+、氩分子离子Ar+2和氩激发态Ar*等, 建立连续性方程、动量方程和电流平衡方程。分析了极板电压、极板间距对上述粒子数密度分布的影响。给出了电子,Ar+,Ar*和Ar+2密度随极板电压及间距变化的时空演化过程。得出极板电压或极板间距的改变会使放电空间的电场发生改变, 对应一定的极板间距, 极板电压有一个最佳值, 极板电压和间距的变化会使对应的极板间有一个最佳电场值, 而对应最佳电场有一个等离子体气体间最佳反应系数, 从而使放电空间粒子数密度发生改变。

通过考察各种放电状态及气流条件下发生器内外物种的自发辐射谱,发现光谱峰值强度与对应物种浓度成正比.分析了主要的等离子体动力学过程,了解了单重态氧及其它物种的浓度变化规律.考察了α放电和γ放电两种不同的放电方式.发现在α放电状态下,体系中有较少氧原子等淬灭性粒子,更有利于O2(1Δ)产生.加入He,有效地降低了气体体系的离子化阈能和约化场强,约化场强最小时,产生的O2(1Δ)浓度最大,相较于纯氧放电,O2(1Δ)浓度提高一倍以上.考察了腔外各物种浓度的变化, O2(1Δ)离开放电腔后浓度稳定,沿距离减少较慢,有益于出光.优化了本系统的放电极间距,极间距太大或太小,都不利于单重态氧的产生.

根据射频放电中电流连续性方程、稳态时电子数密度的连续性方程以及电子的能量平衡方程,建立了气体放电氧碘激光器中α型射频放电等离子体的理论模型,通过数值求解得到了射频放电等离子体中电场、电子数密度的空间分布,分析了放电参数对放电特性的影响.结果表明采用频率高的射频放电会使放电空间电场降低,电子数密度增加,从而有利于单重氧的生成,为提高气体放电中单重氧的产率提供了理论依据.

以气体放电理论为基础,利用简化模型推导出射频激励CO2激光器气体放电击穿电压的数学关系式,指出影响激光气体放电击穿的几个物理参量.并通过实验测定了引起气体击穿时所需的注入功率与频率之间的关系.理论结果与相关试验测试结果符合一致.

全金属RF激励CO2激光器中,气体放电区的温度分布与放电区的工作气体、注入功率和激光器外壳温度都有关系.腔体厚度以及腔体和金属电极之间的绝缘气体层厚度的变化,对放电区的温度分布也会产生一定的影响.通过解析的方法,计算各种因素对温度分布的影响,为合理设计激光器的结构参数和选择适当比例的激光工作气体提供了有利的参考.