1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031
为了促进激光诱导击穿光谱技术（LIBS）在土壤重金属元素检测中的应用，提高重金属元素检测灵敏度，研究向土壤样品中掺杂不同比例NaCl粉末对重金属Cd元素LIBS光谱增强效果，结果表明：向土壤样品中掺杂NaCl粉末可以显著提高Cd元素特征谱线强度。当NaCl掺杂质量分数为90%时，Cd元素2条特征谱线Cd 214.441 nm、Cd 228.802 nm的检测限分别从30.57 mg/kg降低至1.526 mg/kg、从28.12 mg/kg降低至2.501 mg/kg。计算等离子温度和电子密度，二者均随着NaCl掺杂质量分数的增加而逐渐升高，掺杂NaCl可以有效提高激光与土壤的耦合效率，增加土壤的烧蚀量，从而增强Cd元素光谱强度，该研究结果对LIBS在微量重金属检测中的应用具有重要的参考意义。
激光诱导击穿光谱 土壤Cd元素 NaCl掺杂 等离子体温度 电子数密度 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1730006
华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室, 江西 南昌 330013
水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用, 但缺乏对其机理方面的研究, 利用光谱分析的方法对水下湿法焊接引弧过程的电弧等离子体温度和电子数密度进行了研究。 首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台, 对焊接过程中的电流电压及光谱信号进行了同步采集, 根据电流电压信号的数据对水下湿法焊接引弧过程进行了界定。 在此基础上, 通过光谱仪的延时功能分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号, 对采集的光谱信号进行分析, 标定了计算等离子体温度及电子数密度所需要的Fe元素谱线和H元素谱线, 为了保证计算结果的准确性和可靠性, 引弧不同时刻均选取了五组数据, 运用统计分析的方法对五组数据作平均化处理, 在标定的Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线, 利用玻尔兹曼图示法分别计算了引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度, 同时, 根据光谱仪检测到的氢元素的α谱线, 结合等离子体发射光谱的斯塔克谱线展宽理论, 计算了水下湿法焊接引弧不同时刻的电子数密度。 计算结果表明: 在引弧的不同时刻, 水下湿法焊接电弧等离子体温度变化呈现不同的特点, 在引弧5和20 ms温度值分别出现峰值, 到最后稳弧时刻温度值达到4 414 K; 电子数密度在引弧不同时刻也不同, 同样在引弧5和20 ms出现峰值, 在出现峰值点的时刻, 电流同样出现峰值。 电弧等离子体温度和电子数密度在引弧不同时刻的变化趋势, 验证了电弧的形成伴随着空间间隙被击穿的过程, 其计算结果可以为进一步从电弧物理的角度探寻水下湿法焊接引弧过程的物理本质, 引导并寻求更有效的引弧方法提供重要参考。
水下湿法焊接 电弧光谱诊断 引弧 等离子体温度 电子数密度 Underwater wet welding Arc spectroscopy Arc ignition Plasma temperature Electron number density 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3404
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
2 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
采用微波诊断技术对气压300 Pa, S波段HPM条件下形成的低温、弱电离、非均匀和强碰撞大气等离子体特性参数开展了初步诊断研究。获取了9~15 GHz连续波穿过HPM等离子体区域的透射波形, 并对波形进行了归一化处理; 通过不同频率微波的透射特性, 假设等离子体电子数密度分布呈Epstein分布, 分析了可能的电子数密度最大值。该研究成果的获取为HPM大气等离子体在隐身、阻断信息链等方面的应用提供了重要的技术支撑。
高功率微波 等离子体 微波诊断 电子数密度 大气击穿 high power microwave plasma microwave diagnostics electron density air breakdown 强激光与粒子束
2019, 31(10): 103207
重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室, 重庆 400065
搭建了正交的再加热双脉冲激光诱导击穿光谱(RDP-LIBS)实验装置。以黄连为研究对象,用其特征谱线的光谱强度和信背比评估了光谱特性。通过优化探测延时、两束激光能量值组合及脉冲间隔等实验参数,提高了检测的灵敏度。相比单脉冲激光诱导击穿光谱(SP-LIBS)技术,RDP-LIBS技术对4条特征谱线(Fe、Al、Ca、CN)的光谱强度增强倍数分别为4.0,5.5,10.0和3.5。RDP-LIBS下的等离子体电子激发温度和电子数密度均比SP-LIBS下的有所提高。
激光技术 激光诱导击穿光谱(LIBS) 光谱增强 再加热双脉冲 中药材 电子激发温度 电子数密度
1 南京理工大学 理学院, 南京 210094
2 河海大学 理学院, 南京 210098
3 北京航空工程技术研究中心, 北京 100076
4 信利半导体有限公司, 广东 汕尾 516600
针对飞机进气道等离子体隐身问题, 建立了三维筒形进气道模型, 采用有限元求解波动方程, 计算了腔体内壁覆盖均匀等离子体时的雷达散射截面。研究表明: 腔体内覆盖等离子体时可以有效吸收入射电磁波能量；吸收随电磁波频率增加而减弱, 但由于腔体结构作用, 会存在几个吸收峰；吸收随电子数密度增加而增强, 但电子数密度过高时, 吸收效果会变差；最佳碰撞频率虽然与电磁波频率和电子数密度有关, 但其值可约为9 GHz；吸收随等离子体厚度增加而变大, 但在较大电子数密度时, 由于电磁波在等离子体与空气交界面处反射导致厚度增加, 从而使得吸收变小；选取合适的入射角度和等离子体数密度可以在1~3 GHz频段实现明显的隐身效果。
等离子体 隐身 进气道 电子数密度 碰撞频率 plasma stealth inlet electron number density collision frequency 强激光与粒子束
2015, 27(5): 052005
重庆邮电大学 光电工程学院 重庆高校光纤通信技术重点实验室, 重庆 400065
为研究激光脉冲能量对激光诱导等离子体辐射特性和膨胀过程的影响, 采用ICCD相机对不同激光脉冲能量激发的铝合金等离子体进行快速成像, 并利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析等离子体的电子温度和电子数密度随激光脉冲能量的演化规律.实验结果表明, 激光诱导等离子体呈现明显的分层结构, 等离子体的激发阈值约为3 mJ, 等离子体不同区域的面积随激光脉冲能量变化呈现不同的特征.当激光脉冲能量低于10 mJ时, 等离子体的分层结构不显著.激光脉冲能量从10 mJ增加到100 mJ过程中, 等离子体电子温度从4 980 K升高到7 221 K, 等离子体的电子数密度在1017 cm－3量级并随激光能量增加而增大且趋于饱和.
激光诱导击穿光谱 快速成像 激光脉冲能量 电子温度 电子数密度 Laser-induced breakdown spectroscopy Fast imaging Laser pulse energy Electron temperature Electron number density
为了深入研究激光诱导等离子体的物理特性，提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的测量精度和可靠性，对激光诱导等离子体的时间演化过程进行了实验研究。采用ICCD相机对激光诱导铝合金等离子体进行快速成像，发现激光诱导铝合金等离子体的寿命大约为30 μs，等离子体呈现明显的分层结构，并且不同区域的面积和温度在等离子体的时间演化过程中呈现不同的特征。通过玻尔兹曼斜线法和Stark展宽法计算了铝合金等离子体电子温度和电子数密度的时间演化规律。实验结果表明，等离子体的电子激发温度在6000 K~9000 K之间，且前3 μs下降较快；等离子体电子数密度为1017 cm-3量级，并随ICCD探测延迟时间缓慢降低。等离子体电子温度和电子数密度的时间演化规律与ICCD相机快速成像结果一致。
光谱学 时间演化 激光诱导击穿光谱 快速成像 电子温度 电子数密度 中国激光
2014, 41(10): 1015001
以Nd:YAG脉冲激光器的基频1064 nm和二倍频532 nm输出为激发源，获得了一种切、斩两用不锈钢刀具材料在300~500 nm波长区间的激光诱导击穿光谱，通过对谱线的归属，发现该不锈钢材料除包含主要元素Fe，还含有为改善材料特性添加的Cr、Ni、Mo、Nb、Cu、V、Ti及微量杂质元素Gd、Zr、Sm、Pm、Nd等。而文献报道的元素C、Si、N，由于其灵敏谱线波长大部分小于300 nm，所以光谱图中未出现明显对应这些元素的谱线。同时发现随激光脉冲能量的增加，等离子体发射谱线的强度、电子温度、电子数密度均增大，将该现象归因于激光能量增加导致的样品烧蚀量增大及电场强度的增加。相同激光能量的条件下，532 nm激光诱导的等离子体具有更高的电子温度和电子密度。
光谱学 激光诱导击穿光谱 不锈钢 电子温度 电子数密度 光学学报
2014, 34(s1): s130002
湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 湖南 长沙410082
为了研究辅助侧吹氩气对光纤激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮等离子体的影响, 利用高速摄像机拍摄不同侧吹工艺参数下等离子体空间膨胀形态, 结果表明: 氩气降低了等离子体的膨胀高度, 随着压力增加, 等离子体的膨胀距离减小, 等离子抑制作用增强。 利用光谱仪研究了等离子体发射光谱在砂轮径向上的最大值随氩气压力的变化情况, 并根据Boltzmann斜线法和Stark展宽法, 计算不同氩气压力下等离子体在砂轮径向上电子温度和电子数密度的最大值, 结果表明: 气体压力增大, 等离子体光谱线强度先增大后减小, 等离子体光谱线强度在0.2 MPa时达到峰值, 较大的氩气压力明显降低等离子体电子温度和电子数密度, 从而减小对砂轮表面形貌的影响。 利用超景深三维扫描仪观测添加侧吹气体前后砂轮表面形貌, 结果表明: 0.5 MPa侧吹氩气后, 砂轮表面形貌质量明显优于未添加侧吹气体时。
光谱学 激光修锐 侧吹气体 等离子体 电子温度 电子数密度 Spectroscopy Laser dressing Side blowing Plasma characteristics Electron temperature Electron number density 光谱学与光谱分析
2014, 34(5): 1153
1 湖南大学激光研究所, 湖南 长沙 410082
2 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410082
对不同激光参数条件下脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮过程中产生的490~600 nm波段范围内的等离子体空间分辨发射光谱进行了研究。在局部热力学平衡条件下，根据测得的等离子体谱线信号的相对强度，利用Boltzmann图法和Stark展宽法分别计算得到等离子体电子温度和电子数密度值，并对激光单脉冲能量、距砂轮表面的探测距离等因素对等离子体电子温度和电子数密度的影响进行了研究。实验结果表明，激光修锐产生的等离子体电子温度和电子数密度随探测距离的增加近似呈Lorentz分布，随激光单脉冲能量的变化近似呈指数规律增长。在此基础之上，进一步计算了等离子体逆韧致吸收系数，并总结其随探测距离和激光单脉冲能量的变化规律。
光谱学 激光修锐 光致等离子体 电子温度和电子数密度 逆韧致吸收系数
