载玻片是生物和医学领域中放置样本的透明玻璃。为了更好地服务于生产过程中对载玻片组分的实时检测,采用1064 nm激光烧蚀载玻片,采集不同关键实验参数下的等离子体辐射光谱;选取Si I∶288.16 nm、Ca I∶422.67 nm、Na I∶589.00 nm作为分析谱线,以谱线强度和信号稳定性作为指标,对光谱仪采集延时、激光能量、激光重复频率、激光烧蚀方式、透镜到样品的距离等参数进行优化。结果表明:对于激光诱导击穿载玻片实验系统,最优的光谱采集延迟时间为3 μs,最优的激光重复频率为2 Hz,采用单点烧蚀方式可以得到更加稳定的光谱信号;对于焦距为100 mm的聚焦透镜,最佳聚焦位置位于样品表面以下8 mm,即透镜到样品的最佳距离为92 mm;为了避免载玻片被击碎,实验中将单激光脉冲能量设置为150 mJ,得到了谱线强度足够高且信号稳定性也满足要求的光谱信号。通过优化实验系统中的关键参数,为采用激光诱导击穿光谱技术实时、在线、原位检测载玻片的成分和含量提供了实验依据。

完美涡旋光场模式的单一性难以满足其在多种领域的应用需求。为解决该问题,提出了一种同心矢量完美涡旋模式,其光强分布为一族同心的矢量完美涡旋,各环矢量完美涡旋的性质得到了验证。研究发现,每个完美涡旋的光环大小、偏振阶数等特征参数相互独立。对同心矢量完美涡旋模式光环叠加的实验表明,与标量完美涡旋光束叠加不同,矢量叠加产生的子涡旋会在特定位置消失,原因是两光环在该位置偏振正交。该研究极大地丰富了完美涡旋的模式分布,拓宽了完美涡旋在微操纵、光通信等领域的潜在应用。

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新型的物质成分测量方法已经在越来越多的领域得到广泛应用, 但是与传统的分析方法相比, LIBS技术的分析性能还需进一步提高。 LIBS技术的理论基础是激光诱导等离子体, 从物理机理上研究等离子体特性, 对LIBS系统实验参数的优化具有指导作用, 也为提高LIBS技术的检测能力奠定理论基础。 激光诱导等离子体是一个与空间相关的非稳态辐射源, 空间分辨光谱测量是探究等离子体物理特性的重要手段之一。 为研究激光诱导等离子体的辐射特性, 采用1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器烧蚀合金钢样品产生等离子体, 利用空间分辨装置测量二维空间的等离子体辐射光谱信号, 通过分析可知实验采集的光谱信号是信号探测器测量路径上的积分光谱强度, 由此计算得到的等离子体参数也是观测路径上的平均值。 为了深入研究等离子体由内层到外层的辐射规律, 首先测量得到等离子体路径积分光谱强度的横向空间分布, 然后以等离子体为光学薄和圆柱对称的前提条件, 采用三次样条函数算法对路径积分光谱强度进行Abel逆变换, 反演得到等离子体由内层到外层谱线辐射率的径向空间分布。 选取等离子体辐射光谱中的原子谱线Fe Ⅰ: 374.55 nm和Mn Ⅰ: 403.08 nm为研究对象, 分析等离子体辐射光谱的空间分布特征, 研究结果表明, 等离子体辐射路径积分光谱强度的横向分布呈现出中心位置强度大边缘位置强度小的特征, 这是由于等离子体膨胀扩张的结果引起的; 通过Abel逆变换得到等离子体光谱辐射率的径向分布, 结果表明等离子体从内层到外层谱线的辐射率经过了先增加后减小的变化规律, 等离子体中心处出现辐射率的极小值, 造成这种现象的主要原因是由于等离子体辐射源中心区域具有较低的电子密度; 选取等离子体辐射光谱中Fe元素的11条原子谱线, 采用Boltzman法分别由谱线相应的积分光谱强度和辐射率计算等离子体温度, 得到等离子体温度的横向空间和径向空间的二维分布, 两者具有类似的变化规律; 由等离子体温度的横向空间分布可以看出, 随着离样品表面距离的增加, 等离子体温度呈现单调减小的趋势, 等离子体中心到边缘区域等离子体温度逐渐降低, 这是由等离子体膨胀扩张以及与环境气体相互作用共同的结果; 由等离子体温度的径向空间分布可以看出等离子体由内层到外层等离子体温度逐渐降低, 这是由于等离子体膨胀扩张冷却引起的。 由此可见, 采用Abel逆变换能够实现等离子体由内层到外层的辐射特性分析, 为深入理解等离子体产生和演变的物理机理提供实验依据, 从而为提高激光诱导击穿光谱技术的分析性能奠定理论基础。

为了增强激光诱导玻璃等离子体的辐射光谱信号, 采用直径为10 mm的玻璃纤维材质半球空腔对等离子体进行束缚, 对比研究了无约束和约束两种实验条件下的辐射光谱信号.由于激光的聚焦情况对玻璃等离子体特性有较大影响, 实验首先对激光在样品中的聚焦位置进行了优化, 结果表明当样品表面位于透镜焦平面以上3 mm处时激光诱导玻璃等离子体辐射光谱最强.然后采用时间分辨光谱对比研究了无约束和半球空腔约束下光谱强度的时间演变规律, 并分析了谱线强度增大倍数的时间演变, 结果表明在等离子体产生后6~15 μs的时间内, 半球空腔约束下谱线强度呈现出增强的现象, 且具有不同能级的谱线增强程度不同, 当采集延时为10 μs时具有最优增强效果.最后研究了激光能量对半球空腔约束下等离子体辐射增强效果的影响, 研究结果表明, 随着激光能量增大, 谱线增强倍数逐渐增加, 当激光能量超过170 mJ以后, 谱线增强效果开始下降.

为研究半球形空腔对等离子体辐射的增强作用,利用不同直径的半球形空腔对激光烧蚀合金钢产生的等离子体进行约束,结果发现,半球形空腔对等离子体辐射的最佳增强倍数随着半球形空腔直径的增大呈现先增大后减小再增大最后减小的规律,且最佳增强倍数对应的延迟时间与半球形空腔直径存在线性关系。分析结果表明:最佳的半球形空腔直径为10 mm,延迟时间为10 μs时,采用该直径的半球形空腔对等离子体辐射具有最优的增强效果。对无约束和半球形空腔约束下的等离子体辐射光谱进行了空间分辨测量,结果发现:在无约束情况下,随着膨胀扩张,等离子体演变为尺寸较大且强度较低的辐射源;在半球形空腔约束情况下,等离子体尺寸较小,但强度较高。研究结果表明,等离子体的辐射增强是半球形空腔对等离子体的三维空间压缩效应引起的,且增强效果受半球形空腔直径的影响。

基于特定参数下的因斯高斯Ince-Gaussian(IG)光束的奇偶模式线性叠加,提出了一种每个光瓣均为“V”字形的光束模式(VIG模式)。通过实验与数值模拟对所提VIG模式进行分析研究,结果发现VIG模式的“V”字形光瓣个数为其阶数的两倍。通过给奇偶模式施加一个初始相位差可以自由调控“V”字形光瓣连续分离为一大一小两个光瓣,并且可以对调两个光瓣的空间位置。通过力场分析发现,VIG模式有望应用于细胞分选。通过两个偶模一个奇模阶数比为1∶3∶2进行叠加,可以生成三个分支的VIG模式。

激光诱导击穿光谱技术以其无需样品预处理、 分析速度快、 能实现多元素同时检测和远程分析等优点已经被广泛应用于诸多领域的物质成分定性或定量分析。 该技术的理论基础是激光诱导等离子体。 对等离子体光谱参数(如光谱谱线强度、 等离子体温度等)的准确测量是利用该技术进行定性或定量分析的前提条件。 实际的实验系统中, 由于仪器本身固有的性能限制, 会造成采集光谱信号的失真, 从而限制等离子体光谱参数的精确测量或计算。 为了克服仪器固有性能的影响, 分析了实验系统所用中阶梯光栅光谱仪和传输光纤的固有性能缺点对光谱信号背景噪声和元素谱线绝对强度的影响, 然后采用剥峰法对光谱信号中存在的锯齿状背景噪声进行扣除, 利用辐射定标光源的标准光谱数据对谱线绝对强度进行校正, 并对比了背景扣除和强度校正对等离子体谱线强度和等离子体温度的影响, 实验表明谱线强度校正对合金钢等离子体380 nm以下的光谱信号具有较大影响, 通过背景扣除和强度校正后, 等离子体温度由13 401.75 K降低至8 980.72 K, 玻尔兹曼平面法求解等离子体温度的拟合决定系数由0.60提高至0.91。 因此在光谱数据处理之前对测量光谱进行背景扣除和强度校正是十分必要的, 为提供可靠地光谱数据进行物质成分定性或定量分析奠定了基础。

完美涡旋光场具有亮环半径不随拓扑荷值改变而改变的优点, 在微粒操纵及量子通信等领域具有重要的应用价值, 已成为近年来光场调控领域的研究热点。介绍了产生完美涡旋光场的三种典型方法, 综述了完美涡旋光场的调控技术及表征方法, 并对其应用进行了总结。

提出了一种基于奇偶模初始相位差因子调控的新型Ince-Gaussian(IG)光束, 即PIG(Ince-Gaussian beam with phase difference)光束。对传统IG光束偶模施加具有初始相位差φ的e指数相位因子, 将偶模与奇模进行线性叠加后得到了PIG光束。在其他参数相同的条件下, 重点研究了初始相位差调控因子对PIG光束空间模式的调控特性。数值模拟和实验结果表明: 当参数φ在0到π区间上连续取值时, 可实现正负涡旋PIG光束的连续变换; 当φ=π/2时, 中间状态涡旋消失; 调节φ使其为π的整数倍, 可以实现正负涡旋模式的跳变切换; 当调节φ为π的半整数倍时, 该光束可实现光瓣在椭圆轨迹上的精确位移控制。PIG光束为微粒操纵及光束微雕刻等领域提供了额外的调控自由度。