上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
一定强度的飞秒激光聚焦于空气能生成空气等离子体并诱导生成冲击波。为了观察该冲击波传播特性，引入了超快时间分辨涡旋滤波成像技术，并对观测到的冲击波动力学过程进行了分析。实验探测到泵浦能量为1.5 mJ的飞秒激光经过透镜聚焦到空气中产生等离子体空气冲击波，分析了在3~15 μs时间段冲击波的动态演化过程。结果表明，飞秒激光等离子体空气冲击波在传输时以不对称的球形形状向外扩散，且沿着激光传播方向的传播速度与背着激光传播方向的传播速度不同，分别为372 m/s和341 m/s。这一观察结果与传统的点爆炸模型的对称情形不同，尝试对该不对称动力学过程进行了合理解释。
超快时间分辨成像 涡旋滤波 空气等离子体 冲击波 ultrafast time-resolved vortex filter air plasma shock wave
西安航天动力研究所, 陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室, 陕西 西安 710100
大气压电子束等离子体密度诊断用微波法和光谱法较为合适, 根据微波在等离子体中的传播特性, 利用微波透过等离子体时透射能量衰减和相位变化, 计算等离子体密度, 并与光谱诊断结果进行比较, 2种方法诊断结果基本一致。在微波诊断等离子体实验研究中, 发现空气湿度对大气压等离子体密度有显著影响, 利用大气化学模型仿真研究湿度对等离子体密度影响规律, 获得与实验测试一致的结果。
大气压等离子体 微波诊断 衰减 密度 碰撞频率 air plasma microwave diagnosis attenuation density collision rate humidity 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(4): 639
1 The Institute of Optics, University of Rochester, Rochester, NY 14627, USA
2 State Key Laboratory of Industrial Control Technology, College of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
3 The Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Technology, Capital Normal University, Beijing 100037, China
Frontiers of Optoelectronics
2019, 12(2): 117–147
纳秒激光诱导空气等离子体存在从紫外、 可见、 近红外乃至射频微波的宽谱段辐射, 但目前的研究大多关注紫外到可见波段的光谱辐射。 激光等离子体作为一种新型的红外辐射源具有很多优势, 相比于红外干扰弹以及红外干扰手段而言, 空气等离子体红外辐射源可以灵活布置, 成本低廉, 因此研究空气等离子体的红外辐射特性就很有必要。 针对目前脉冲激光诱导空气等离子体的红外干扰研究需要, 对激光波长为532 nm的纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的红外辐射特性进行实验研究, 探讨激光能量对空气等离子体红外辐射强度的影响规律, 以及空气等离子体红外辐射的角度分布特性, 分析了等离子体红外辐射的可能产生机制。 实验结果表明, 激光诱导空气等离子体在950～1 700 nm范围内的红外光谱为线状谱和连续谱的叠加。 其中线状谱主要是氮和氧的中性原子谱线, 并且氮原子红外辐射占主导。 随着激光能量的增加, 由于空气击穿产生的氧和氮原子数量增加, 导致空气等离子体红外辐射的谱线强度逐渐增大。 随着红外探测角度的变化, 在探测角度为75°时, OⅠ 1 12863 nm和NⅠ1 24696和1 36242 nm谱线强度达到最大, 在探测角度为120°时, NⅠ 1 01146和1 05396 nm谱线强度达到最大, 这是因为空气等离子体红外辐射强度随探测角度变化呈现空间非对称性, 表明空气等离子体内不同粒子的空间分布呈现非对称性。
纳秒脉冲激光 空气等离子体 红外辐射 Nanosecond pulsed laser Air plasma Infrared radiation 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2698
1 首都师范大学物理系太赫兹光电子教育部重点实验室, 北京太赫兹光谱与成像重点实验室,北京成像技术高精尖创新中心, 北京 100048
2 北京理工大学光电学院精密光电测量仪器和技术北京市重点实验室, 北京 100081
使用涡旋光束代替高斯光束作为产生光源,研究了涡旋光束产生太赫兹波的过程。探究了具有不同拓扑荷数的涡旋光束在产生太赫兹波时的差异,相位奇点的位置对产生太赫兹波的影响,不同脉冲强度和激光波长下涡旋光束产生的太赫兹波能量、频谱和偏振的变化。结果表明,产生的太赫兹波强度会随涡旋光束拓扑荷数的变化而变化,并且与涡旋中心的位置密切相关。涡旋光束所产生的太赫兹波随脉冲强度和激光波长的变化趋势与高斯光束一致。高斯光束与涡旋光束产生的太赫兹波在频谱和偏振上的变化趋势一致。
太赫兹波技术 空气等离子体 涡旋光束 空间光调制器 飞秒激光
西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
传统的等离子体闪光法, 是根据探测器是否接收到来自薄膜样片周围发射的闪光信号, 对薄膜是否发生损伤进行评判, 这样的评判方法极易把空气与薄膜的等离子体闪光混淆而发生误判。 为了消除这种误判, 提出通过比较空气和薄膜各自的等离子体闪光的点燃时间, 利用两者时间上的差异, 实现对传统等离子体闪光法误判现象的消除方法。 为了验证新方法的可靠性, 借助于多光子吸收和级联电离理论, 建立了空气等离体子体点燃时间的计算模型, 根据薄膜与激光的相互作用原理建立了薄膜被击穿时的等离子体点燃时间计算模型, 利用建立的模型仿真计算了空气和薄膜的等离子体闪光点燃时间分别为1.856和7.843 ns; 搭建实验装置以实现对传统等离子体闪光法的更新, 在装置中的不同位置设置三个光电探测器分别采集入射激光信号、 空气和薄膜等离子体闪光信号, 采集入射激光信号的光电探测器置于聚焦透镜的侧面, 另外两个探测器位于薄膜样片周围且左右对称放置, 分别用于采集薄膜的等离子体闪光信号和空气的等离子体闪光信号, 所有光电探测器采集的信号转换为电信号后同步传输至示波器, 以入射激光信号为基准信号, 其与空气和薄膜等离子体闪光信号的起始时刻之差, 分别为空气和薄膜等离子体闪光点燃时间。 脉宽为10 ns、 波长为1 064 nm的Nd∶YAG脉冲激光以0.015 cm的聚焦光斑半径、 82.4 mJ的入射能量作用于光学厚度为λ/4、 直径为20 mm的单层Al2O3薄膜样片上后, 采集上述激光作用条件下的各路信号, 经处理后得到的空气和薄膜的等离子体闪光点燃时间测试值分别为2.7和7.8 ns; 理论计算和实验测试结果表明, 空气的点燃时间总是小于薄膜的点燃时间, 二者有很好的一致性。 说明当强激光作用于单层Al2O3薄膜表面时, 空气等离子体闪光先于薄膜等离子体闪光发生。 基于空气和薄膜等离子体闪光点燃时间上的这种差异, 利用闪光信号时间上的差别就可准确分辨出薄膜是否发生损伤, 从而获得识别薄膜损伤与否的判据, 这种从时间差异上识别薄膜等离子体闪光损伤的新方法, 无论从理论上还是实验上均为传统等离子体闪光法误判现象的消除提供了技术基础。
空气等离子体闪光 薄膜等离子体闪光 点燃时间 损伤误判 Air plasma flash Film plasma flash Ignition time Misjudgment of thin film damage 光谱学与光谱分析
2018, 38(11): 3341
光电信息控制和安全技术重点实验室, 天津 300308
太赫兹时域频谱技术(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)是近年发展起来的一项新技术, 它可同时获取太赫兹脉冲与物质相互作用的电场强度和位相信息的。对被测样品的透射或反射太赫兹波信号进行傅里叶变换, 能够精确地表征样品随太赫兹频率变化的光学、电学和介电特性。概述了利用光电导天线、光整流、空气等离子体等方式产生太赫兹波, 以及利用光电导天线、电光取样、空气等离子体等探测太赫兹波的方法。阐述了THz-TDS系统的原理、组成和特点, 以及THz-TDS技术在各领域的应用。最后对THz-TDS技术的未来发展趋势进行了展望。
太赫兹波 光谱分析 光电导天线 电光采样 空气等离子体 terahertz wave spectroscopic analysis photoconductive antenna electro-optic sampling air plasma
