1 平高集团有限公司技术中心, 河南 平顶山 467000
2 西安交通大学电气工程学院, 陕西 西安 710049
激光诱导击穿光谱(LIBS)因其无需制样、 样品损伤小、 可在线检测以及检测速度快等优点被广泛应用。 激光诱导等离子体是一个十分复杂的物理过程, 受多种因素的影响, 激光入射角是其关键影响因素之一。 脉冲激光入射角的改变会直接改变脉冲激光在样品表面的聚焦光斑形状, 导致脉冲激光照射在靶材表面的功率密度发生改变, 直接影响到脉冲激光诱导等离子体过程, 脉冲激光与靶材法线所成角度的改变还会直接影响等离子体扩散过程。 尽管脉冲激光入射角是激光诱导等离子体过程的关键影响因素之一, 但是在低压环境下, 脉冲激光入射角对激光诱导等离子体过程的影响研究较少, 对激光等离子体的影响仍不明确, 对激光等离子体影响的内在机制还需更加深入的研究。 首先研究了激光入射角对脉冲激光在靶材表面形成的聚焦光斑的影响, 实验和仿真的结果都表明脉冲激光在靶材表面的聚焦光斑尺寸随着入射角的增大而增大, 导致相同激光能量下脉冲激光的功率密度下降; 其次, 采用同轴成像的方式研究了不同气压下激光入射角对激光等离子体的影响, 实验结果显示激光等离子体中心辐射强度会随着入射角的增大而减弱。 当激光入射方向与靶材表面法线成0~15°时; 脉冲激光入射角对激光等离子体中心辐射强度影响较小, 辐射强度降低仅为3.05%, 当激光入射方向与靶材表面法线成60°时, 辐射强度降低可达25.415%, 对激光等离子体中心辐射强度有着较为明显的影响。 最后, 对处于气压10-4 Pa下激光从不同角度入射所产生的激光烧蚀坑进行了微观结构分析, 分析结果表明靶材烧蚀量会随着入射角的增大而增加, 但靶材烧蚀效率, 即单位光斑面积靶材烧蚀量, 则会随着入射角度的增大而下降, 这解释了激光等离子体中心辐射强度随入射角增大而减弱的现象。 该工作有助于理解激光入射角对激光等离子体的影响, 为优化LIBS实验参数提供参考。
环境气压 激光入射角 激光诱导等离子体 烧蚀坑 Ambient pressure Laser incidence angle Laser-induced plasma Ablation crater 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2740
1 西南民族大学 电子信息学院 信息材料四川省高校重点实验室，成都 610041
2 电子科技大学 电子科学与工程学院 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054
采用修饰的高分子网络凝胶法成功制备了Mn2O3复合Mn掺杂ZnO纳米复合光催化剂（Mn：ZnO/Mn2O3），并基于模拟太阳光照射下罗丹明B（RhB）及亚甲基蓝（MB）染料的光降解研究了催化剂光催化降解有机染料的特性。X射线衍射，扫描电子显微镜及BET比表面积测试结果显示，微量（0.1 mol%）Mn掺杂再复合微量（0.2 mol%）Mn2O3后，Mn：ZnO/Mn2O3的颗粒尺寸减小且分散性提高，有效比表面积增大。紫外-可见光吸收光谱表明，相对于纯ZnO，Mn：ZnO/Mn2O3在可见光区域的光吸收能力明显提高。光致发光光谱表明微量Mn掺杂和微量Mn2O3复合促进了光生电子-空穴对的分离。结合X射线光电子能谱，发现可见光吸收能力和光生电子-空穴对分离率的提高源于催化剂表面氧空位的增加以及Mn：ZnO和Mn2O3之间形成的Ⅱ型异质结结构。因此，Mn：ZnO/Mn2O3对RhB的降解展现出稳定且优越的光催化活性。然而，由于Mn2O3的带隙（Eg≈1.4 eV）过窄，其价带位置高于羟基自由基（·OH）的氧化还原电位，因此光生空穴的氧化电势过低，无法生成氧化能力更强的·OH，这导致Mn2O3复合ZnO光催化剂（ZnO/Mn2O3）对RhB和MB的光降解效率降低。此外，Mn：ZnO/Mn2O3对RhB和MB展现出选择性光降解行为，即对容易降解的MB的光降解效率明显降低。这种选择性光催化特性归因于光催化反应过程中活性物种之间的差异性以及催化剂零电荷点和初始染料溶液的pH值之间的关系。
纳米光催化剂 离子掺杂 半导体复合 Ⅱ型异质结 高分子网络凝胶法 Nano-photocatalysts Ions doping Semiconductor coupling Type Ⅱ heterojunction Polymer network gel method
西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049
为实现激光诱导击穿光谱技术对变压器油中铁颗粒含量的准确定量检测，本文提出了一套光谱处理算法。该算法基于特征峰的稀疏性建模并结合凸优化规则改进数值迭代过程，以实现低通基线估计和特征峰分离；进一步，用目标分析线对光谱进行降维，并依靠基于袋装决策树的集成分类器完成烧蚀点的二分类。滤波器截止频率、滤波阶数、不对称比例、正则化参数分别取0.15、1、6、0.8时，基线估计及Fe特征谱线强度的准确性高；袋装决策树集成分类器对降维后光谱的识别准确率高达98.33%；有效点的光谱校正强度与Fe颗粒质量比的线性相关系数为0.9983。所提方法能精确实现特征谱线的提取和有效点筛选，保证油中Fe颗粒质量比定量检测的准确性。
光谱学 激光诱导击穿光谱 光谱处理算法 变压器油 铁颗粒 中国激光
2023, 50(10): 1011001
1 平高集团有限公司技术中心，河南 平顶山 467001
2 西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049
激光诱导击穿光谱已被广泛应用于物质分析，但是目前的研究多关注于靶材料元素，极少有对环境气体元素进行分析的公开报道，而激光诱导等离子体与环境空气混合的过程对于理解等离子体膨胀过程极其重要。鉴于此，本团队研究了激光诱导击穿光谱中靶材元素铜和气体元素氮、氢、氧的特征光谱随环境气压、延迟时间变化的规律。实验结果表明：铜元素的特征光谱强度与环境气压不呈单调关系，气体元素的光谱强度与环境气压呈单调关系，其中氮元素只有在环境气压大于10 Pa时才可以探测到，氢和氧元素可以在10-2 Pa时探测到；气体元素的光谱强度随环境气压升高而单调增强，随延迟时间增加而快速下降，信噪比随延迟时间增加而先增大后下降。本工作有助于促进对激光诱导等离子体膨胀过程的理解和实验参数的优化。
光谱学 激光诱导击穿光谱 环境气压 光谱强度 延迟时间 信噪比
1 西南民族大学 电子信息学院 信息材料四川省高校重点实验室，成都 610041
2 电子科技大学 电子科学与工程学院 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054
3 福建师范大学 物理学院 超导与材料应用实验室，福州 350117
基于修饰的高分子网络凝胶法，通过简单的工艺流程制备出高效的ZnO/TiO2纳米复合光催化剂，并调节复合物中成分的比例优化了光催化剂的性能。研究结果发现，微量的TiO2添加和高浓度TiO2复合均改善了颗粒状ZnO纳米光催化剂的催化活性，它们在模拟太阳光照下对甲基橙的降解效率更高，增强的性能分别归因于表面氧空位缺陷增多和多元异质结结构增强的界面电荷转移引起的高光生电子-空穴分离率。此外，ZnO和TiO2对亚甲基蓝和甲基橙的光催化降解存在一定的选择性，这与催化剂表面带电性和污染物分子的离子性有关。抑制剂实验表明催化剂表面形成的活性物种羟基自由基、超氧自由基和光生空穴均参与亚甲基蓝和甲基橙的降解反应，在甲基橙的降解反应中超氧自由基起主导作用。循环实验证实所制备的光催化剂具有较高的稳定性。为探索可能的实际应用，进一步研究了催化剂用量和污染物溶液的pH值对催化剂的光催化性能的影响。结果表明，催化剂用量的增加为污染物分子和入射光提供了更多的活性位点，提高了污染物降解效率；因碱性溶液含高浓度强氧化性的羟基自由基，催化剂在碱性环境中光降解污染物的效率明显提高。
光催化 多元异质结 氧空位 ZnO TiO2 Photocatalysis Multiheterojunction Oxygen vacancy ZnO TiO2
西南民族大学 电子信息学院 信息材料四川省高校重点实验室，成都 610041
以双氰胺为原料，采用简易的高分子网络凝胶法制备了具有超薄非晶g-C3N4层的核-壳结构ZnO/g-C3N4纳米复合光催化剂。当原料中氧化锌和双氰胺的摩尔比为1∶1时，复合光催化剂的壳层厚度约为3 nm，异质结界面清晰，在模拟光和可见光的照射下具有最佳的降解有机染料污染物活性。紫外-可见光漫反射（UV-vis）光谱结果显示，复合光催化剂在可见光范围内吸收增强，吸收带发生红移。光致发光（PL）光谱、稳态表面光电压（SPV）和稳态表面光电流（SPC）图谱揭示g-C3N4的负载显著增进了光生载流子的分离。在模拟太阳光和可见光下对亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B溶液进行光催化降解。结果显示，ZnO/g-C3N4纳米复合光催化剂的光催化活性明显提高，催化剂具备良好的稳定性和可重复利用性。此外，自由基捕获实验表明超氧自由基是复合材料降解染料污染物的主要活性物种，同时空穴在降解过程中起着重要作用。在光催化过程中，核-壳结构可有效促进ZnO与g-C3N4之间的电荷转移。本文研究为合成基于碳氮化合物/金属氧化物异质结构的高效纳米光催化剂提供了一条简单有效的途径。
核-壳结构 异质结 ZnO g-C3N4 光催化 Core-shell structure Heterojunction ZnO g-C3N4 Photocatalysis 光子学报
2021, 50(11): 1116001
强激光与粒子束
2020, 32(10): 103010
强激光与粒子束
2020, 32(10): 103002
中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621999
对微波相位敏感的电子系统, 要求信号在电缆中传输时由环境温度变化和线缆机械应力作用引起的相位变化较小, 以确保传输信号较低的信号畸变。在-20~60 ℃温度范围内和 50~ 200 mm静态机械弯曲影响下对不同结构的同轴电缆传输相位变化特性进行了理论分析并开展实验验证, 得到了 2种常用同轴电缆传输相位随温度和机械弯曲变化的灵敏度。温度在 0~10 ℃时, 电缆传输相移突然增大; 静态机械弯曲时, 弯曲半径由 50 mm增大至 200 mm时, 电缆传输相移可减小一半。在同轴电缆的选择和使用环境的确定时需考虑这些因素的影响。
同轴电缆 相位变化特性 温度 机械弯曲 coaxial cable phase characteristics temperature mechanical bending 太赫兹科学与电子信息学报
2019, 17(4): 621
中国工程物理研究院 应用电子学研究所， 高功率微波技术重点实验室， 四川 绵阳 621900
采用一维自洽束波互作用的非线性理论，探索了相对论速调管放大器(RKA)的束流调制特性，并与二维PIC结果进行了比较和分析。首先推导了环形电子束的几何因子，然后分别给出了两腔调制时归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程。采用调制电子束激励中间腔的非线性理论估算了中间腔间隙电压的幅度和相位，幅度的相对误差为0.07%，相位误差为2.15°。给出了输入腔和中间腔的间隙耦合系数公式，对于束压为715.2 kV、束流为8 kA的电子束，当输入腔和中间腔间隙电压分别为14，315.2 kV，输入腔和中间腔相位差为90.59°时，采用一维非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系。对于基波电流调制系数，中间腔之前处于线性区，理论值与模拟值比较一致；在中间腔内部基波电流调制系数出现明显的下降，理论值与模拟值之间的差距较大；中间腔之后处于非线性区，对于基波电流调制系数的最大值和对应的纵向位置，理论值与模拟值基本一致。当束流传输距离为65.8 cm时，计算了归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和电荷守恒参量N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化情况。
自洽的非线性理论 粒子模拟 几何因子 积分微分方程 电流调制系数 self-consistent nonlinear theory particle in cell simulation geometrical factor integrodifferential equation coefficient of current modulation 强激光与粒子束
2018, 30(5): 053009
