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。

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。

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。

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。

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。

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。

由于大气压均匀放电等离子体在工业领域具有广泛的应用前景, 为了获得大尺寸的大气压均匀等离子体, 采用氩气作为工作气体, 在大气压空气环境中利用同轴介质阻挡放电点燃了针-板电极间的大气隙（气隙宽度达到5 cm）直流均匀放电。 研究发现, 同轴介质阻挡放电能够有效降低针-板电极间的击穿电压。 该均匀放电由等离子体柱、 等离子体羽、 阴极暗区和阴极辉区组成。 其中等离子体柱和阴极辉区都是连续放电。 而等离子体羽不同位置的放电是不同时的。 事实上, 等离子体羽放电是由从阴极向着等离子体柱移动的发光光层（即等离子体子弹）叠加而成。 利用电学方法测量了放电的伏安特性曲线, 发现其与低气压正常辉光放电类似, 均具有负斜率。 采集了放电的发射光谱, 发现存在N2第二正带系、 氩原子和氧原子谱线。 通过Boltzmann plot方法对放电等离子体电子激发温度进行了空间分辨测量, 发现等离子体柱的电子激发温度比等离子体羽的电子激发温度低。 通过分析放电机制, 对以上现象进行了定性解释。 这些研究结果对大气压均匀放电等离子体源的研制和工业应用具有重要意义。

真空环境下激光焊接熔深得到显著提高，焊缝成形及气孔等缺陷得到极大改善，可以获得常规激光焊接方法难以获得的显著效果。近些年，有关真空激光焊接过程机理，低真空甚至局部负压环境激光焊接装置的研究日益完善，真空激光焊接技术在船舶、核电及压力容器等领域大厚板焊接中展现出良好的应用前景。本文首要概述环境压力变化对激光焊缝熔深，焊缝表面成形及气孔等缺陷的影响规律，从焊接过程等离子体羽辉及匙孔、熔池的动态行为特性方面总结国内外学者有关真空激光焊接机理的研究成果，并介绍了真空焊接技术在工业领域的应用情况，最后对目前已报道的研究中存在的问题进行分析并对真空焊接技术的发展前景进行展望。