采用微波等离子体化学气相沉积法,在半开放式样品台上通过调整种晶在样品台中的凸出高度(Δh)实现了对微波等离子体中基团分布的调控,并进行了单晶金刚石的侧向外延扩大生长研究。将发射光谱与金刚石样品的傅里叶变换红外光谱、Raman光谱、白光干涉测试结果及光学形貌表征结果结合起来,分析了种晶在样品台中的凸出高度对侧向外延生长单晶金刚石的影响。结果表明:随着凸出高度增大,等离子体中的C₂(516.08 nm)基团在中心区域(-2~2 mm)的相对浓度增加,当凸出高度为0.6 mm时,中心区域碳源基团的浓度相对较高,导致该区域的纵向生长速率略高于周围区域的纵向生长速率,有利于生长面自主形成偏离(100)晶面一定角度的倾斜结构,进而侧向扩大生长出无多晶金刚石外圈且红外光学透过性能优异的单晶金刚石。顶部生长面自主形成一定角度的倾斜结构,是实现单晶金刚石侧向外延扩大生长的关键。继续增大凸出高度至0.8 mm,就会导致中心区域C₂(516.08 nm)基团的相对浓度过高,形成金字塔丘状体,反而不利于高质量单晶金刚石的外延生长。

臭氧作为一种强氧化剂和杀菌剂, 在污染物降解, 食品加工, 杀菌消毒, 医疗卫生等方面有着非常广泛的应用。 大气压介质阻挡放电是一种极为高效的产生臭氧的方法, 利用平行平板介质阻挡放电装置, 采用交流高压激励, 产生了大气压空气非平衡态等离子体。 通过测量其电压和发光信号, 发现在电压的正、 负半周期均存在着许多随机的放电脉冲, 并且其脉宽均在几十到几百纳秒之间, 这表明其机制是流光放电。 放电的光学发射谱包含氮分子的第二正带系（C3Π-B3Π）和第一正带系（B3П-A3П）, 氮分子离子的第一负带系（B2Σ-X2Σ）, 以及氧原子谱线（715.7和799.5 nm）。 由于流光放电在紫外区域（200～300 nm）没有明显的发射谱线, 但臭氧在此区域存在吸收峰, 因此可以利用此区域的紫外吸收光谱测量放电产生的臭氧浓度。 吸收光谱法可以有效的监测其臭氧浓度的变化情况, 其优势在于操作简单, 对实验环境要求低, 可在放电条件下使用, 并且可以连续监测臭氧浓度变化。 基于此, 通过Beer-Lambert定律计算了臭氧浓度随实验参数的变化, 结果发现随外加电压幅值和驱动频率的增加, 臭氧浓度升高。 这些结果对于大气压介质阻挡放电的工业应用具有重要价值。

介质阻挡放电系统(DBD) 作为一个典型的非平衡气体放电系统, 不仅在工业生产如低温等离子体生产和发光等方面被广泛应用, 而且该系统表现出的非线性现象、 自组织现象也吸引人们的关注。 DBD系统中放电丝的等离子体参量受诸多因素影响, 为了探究DBD系统的放电条件对等离子体参量的影响, 该实验重新设计放电单元以保证在其他实验条件相同的情况下, 对放电气隙间距和气体组分与等离子体参数之间的关系展开研究。 本实验的放电单元为一个平板型玻璃框架气隙, 该气隙由三个厚度均为1.2 mm, 放电区域边长分别为40, 30和20 mm的正方形玻璃框架复合而成, 因此该放电气隙有三个放电区域, 将此复合气隙放置于可调节气体成分和压强的真空室内, 可以同时产生三种放电气隙间距分别为1.2, 2.4和3.6 mm的等离子体放电丝。 高速录像机拍摄的瞬时照片表明三种放电丝均为随机放电丝, 即其放电类型均为流光放电。 在垂直于放电气隙平面的方向设置光路, 使用聚焦透镜获得清晰的成像, 移动光纤探头实现空间分辨并采集数据。 实验用光谱仪采集三种等离子体的氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πu) 谱线, 根据谱线强度计算得到各类放电丝的分子振动温度; 利用谱线中包含的氮分子离子N+2第一负带系谱线(391.4 nm)和氮分子第二正带系394.1 nm谱线强度的比值反应放电丝中电子平均能量; 改变气室内氩气的含量, 得到了三种等离子体的分子振动温度和电子平均能量的变化趋势。 实验结果表明: 在氩气含量0%~60%区间内, 随着氩气含量的增加, 三种等离子体的分子振动温度均先升高后降低, 整体趋势表现为相同氩气含量下放电气隙间距越小分子振动温度越高, 即1.2 mm气隙厚度中的放电丝的分子振动温度最高, 2.4 mm气隙厚度次之, 3.6 mm气隙厚度的最低; 随氩气含量的增加放电丝的平均电子能量先升高后降低, 氩气含量相同时气隙厚度越小的放电丝的电子平均能量越高, 即1.2 mm气隙厚度中放电丝的电子平均能量最高, 2.4 mm气隙厚度的次之, 3.6 mm气隙厚度中的最低。 实验结果对于研究DBD系统中等离子体参量、 工业生产等方面具有重要的参考意义。

采用微间隙平行平板介质阻挡放电（DBD）装置， 以氩气作为工作气体， 研究了锯齿波激励下DBD的放电图像、 发光信号、 发射光谱与锯齿波频率的关系。 研究发现随锯齿波频率增加， DBD会从均匀模式（低于10 kHz）， 经历微放电丝与均匀放电共存， 并最终过渡到微放电丝占据全部的电极区（频率高于35 kHz）。 外加电压和发光波形表明， 锯齿波频率较低时的均匀放电对应高占空比的阶梯放电。 随频率增大， 出现微放电丝后， 发光波形呈现多脉冲形式， 且电压半周期中的发光脉冲个数随着锯齿波频率的增大而减小。 当锯齿波频率高于35 kHz时， 每半个电压周期的发光脉冲个数减小为一个（单脉冲放电）。 通过对放电的发射光谱进行研究， 发现发射光谱中包含氮分子的第二正带系（C3Πu→B3Πu）， OH（A2Σ+→X2Π）和ArI的特征谱线。 研究表明OH（3088 nm）和ArI（7504 nm）的谱线强度均随锯齿波频率的增大而增大。

采用平行平板结构的微间隙介质阻挡放电装置，在锯齿波电压激励下产生了电流波形具有平台状的阶梯模式放电。研究发现，随锯齿波电压峰值的增大，放电平台的持续时间和幅值随之增加。采用光学方法对单个放电平台的时间演化进行研究，发现其放电机制属于大气压汤森放电。通过对放电的发射光谱进行采集，发现包含氮分子的第二正带系(C3Πu→B3Πu)、OH(A2∑+→X2Π)和ArⅠ的特征谱线。随锯齿波电压峰值的增大，OH(308.8 nm)谱线强度和分子振动温度增加，但电子激发温度减小。通过对ArⅠ(750.4 nm)强度进行比较，发现相同峰值电压下锯齿波激励介质阻挡放电比正弦激励介质阻挡放电产生的谱线强度更大。利用气体放电理论，对上述物理现象进行了定性解释。

通过设计新型的交流电压激励的氩气等离子体射流, 在棒电极的上游与下游区域均产生了大气压非平衡态等离子体羽。 该射流与平行场射流和交叉场射流不同, 它的电场与气流方向的夹角可以在一定范围内变化。 结果表明, 随着外加电压或夹角的增加, 上游羽的长度增加而下游羽的长度减小。 利用光学和电学的方法, 研究发现随着外加电压的增加, 上下游放电脉冲的个数均增加。 利用放电的光学发射谱, 发现上游羽有Ar和OH的谱线, 而下游羽除了Ar和OH的谱线外, 还可以观察到N2的谱线。 并且下游羽的谱线强度比上游羽的略高。 基于碰撞辐射模型, 通过谱线强度比的方法研究了上下游羽的电子密度和电子激发温度。 结果表明上下游羽的电子密度随着外加电压的增加而增加。 上下游羽的电子激发温度也随着外加电压的增加而增加。 并且, 在同一外加电压时下游羽的电子密度和电子激发温度均比上游羽的高。 此外, 利用OH发射光谱研究了上下游羽的气体温度, 发现下游羽的气体温度也比上游羽的略高。

利用介质阻挡放电装置在大气压下产生了稳定的氩气等离子体羽，利用示波器对等离子体羽的外加电压、电流和发光信号进行了记录。光学诊断结果表明，等离子体羽由高速运动的等离子体子弹组成。基于碰撞辐射模型，利用300~800 nm范围的光学发射谱诊断了等离子体羽的电子密度。结果表明，电子密度随外加电压和气体流量的增大而增大，随驱动频率的增大而减小。利用光谱法对等离子体羽的振动温度和转动温度进行了研究，发现其振动温度和转动温度均随外加电压和气体流量的增大而升高，随驱动频率的增大而降低。通过分析放电电场，对以上现象进行了定性解释。

脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster, PPT)具有体积小、 重量轻、 比冲高等优点, 特别适合作为执行微小卫星轨道转移、 阻力补偿和姿态控制等任务的推进系统。 为了深入理解PPT推力产生的机理, 本文对采用具有张角的舌型极板的尾部馈送式PPT等离子体羽流开展了时空分辨光谱诊断研究。 通过对光谱数据的分析发现: 等离子体羽流的主要成分为C, F, C+, F+, C2+, 还含有少量的由于极板烧蚀产生的Cu+和Cu2+; 等离子体在放电通道内的分布不均匀, 通道中心的等离子体浓度最大, 靠近阳极板的等离子浓度要明显大于靠近阴极板的等离子体浓度; 在不同位置处等离子体成分也具有较大差别, F+和中性粒子主要分布在靠近阳极侧的区域; 通过对各个分立谱线进行多普勒线性拟合, 得到了放电通道内等离子体温度信息; 以中轴线靠近工质的观测点为例, 对该点在整个放电过程中不同时刻的谱线进行分析, 得到了该点等离子体的具体演化过程, 发现在放电的不同阶段羽流成分及各组分所占比例差别较大。

大气压均匀放电等离子体在工业领域具有非常广泛的应用前景, 它是利用直流电源激励的空心针-板放电装置, 以氩气为工作气体在大气压空气中产生均匀稳定的放电。 对氩气流量和气隙间距对辉光放电发光特性的关系进行了研究, 结果表明放电所产生的等离子体柱连接两个电极, 发光较为均匀(观察不到放电丝)。 在板电极附近放电等离子体柱直径最大, 最大直径随着电流和气流的增大而增大。 放电伏安特性研究发现, 与低气压辉光放电相类似, 两电极间的电压随着电流的增大而减小, 并且随气流和气隙间距的增大而增大。 对该大气压直流均匀放电在扫描范围为330～450 nm的光学发射光谱进行分析, 获得了放电等离子体的分子振动温度和谱线强度比I391.4/I337.1随氩气流量和气隙间距的变化关系。 I391.4/I337.1均随流量和气隙间距的增大而降低。 对等离子体柱的I391.4/I337.1沿气流方向(等离子体柱轴向)进行了空间分辨测量, 并进行了定性分析, 结果表明, 振动温度及电子平均能量随着远离空心针口距离的增大而增大。 这些结果对大气压辉光放电在工业中的应用具有重要意义。

利用光谱学方法, 对针-水电极和针-板电极直流辉光放电特性进行了比较研究。 结果发现两种装置产生的放电都有明显的分区现象, 从阴极到阳极分别为负辉区、 阴极暗区、 正柱区和阳极辉区。 针-板电极放电中可以清晰地观测到阳极暗区, 而针-水电极放电阳极暗区不明显。 对比两种放电的伏安特性曲线, 发现放电电压均随电流增大而减小, 但相同电流下针-水电极间的电压大于针-板电极间的电压。 由于伏安特性具有负斜率, 且放电电流密度介于10-5～10-4 A·cm-2, 说明两种装置中的放电均处于正常辉光放电阶段。 在正常辉光放电的范围内比较两种放电的发射光谱, 发现发射光谱中都包含N2的第二正带系（含波长为337.1 nm的谱线）和N+2的第一负带系(含波长为391.4 nm的谱线), 但相对强度不同。 利用光谱学方法对放电发射谱的谱线强度比I391.4／I337.1和振动温度进行了空间分辨测量, 发现相同位置处针-水电极放电的谱线强度比要比针-板电极放电的大, 并且相同位置处针-水电极放电的振动温度高。