1 长春光华学院工程技术研发中心, 吉林 长春 130033
2 吉林大学原子与分子物理研究所, 吉林 长春 130012
3 长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022
激光诱导击穿光谱（LIBS）已成为一种很好的材料含量鉴定技术, 当前LIBS研究的一个热点方向是提高其检测灵敏度。 在改善LIBS分析灵敏度时, 最主要的是增加激光烧蚀等离子体（LAP）的光辐射, 如火花放电辅助LIBS、 磁场增强LIBS、 空间约束LIBS、 火焰增强的LIBS、 共振增强LIBS和双脉冲LIBS。 此外, 升高烧蚀靶的温度也是提高LIBS光辐射和灵敏度的有效方法, 因为烧蚀靶温度升高, 其表面反射率降低, 这能增强激光与靶之间的耦合。 温度升高的靶将耦合更多的脉冲能量, 从而增强LAP光辐射。 另外, 在靶温度升高后, 靶也能加热其表面附近的气体, 导致气体密度降低, 气体密度的降低可以减少LAP与气体之间的碰撞, LAP膨胀过程中压力降低, 从而间接地增加了LAP的光谱强度。 加热的靶可以显著改善光谱发射强度, 但这些研究仅给出了空间积分的光谱, 没有进行空间分辨的光谱分析, 而LAP光谱的空间分布将会随靶材温度的变化而变化。 因此, 有必要研究升高靶温度对LAP空间分辨光发射的影响。 将铜靶加热到更高的温度, 用Nd∶YAG激光器激发铜产生激光烧蚀的LAP。 通过测量LAP发射, 发现预热铜产生的LAP发射强度高于室温下的发射强度。 对于空间分辨LAP光谱, 发射强度随着离铜靶距离的增加先升高而后降低; 靶温度也影响等离子体光谱的空间分布, 与未加热的铜相比, 预加热靶的空间分辨光谱发射区域移动到距离靶表面更远的位置。 另外, 根据空间分辨的光谱计算了电子温度和密度随距离铜靶的变化, 空间分辨电子温度和密度的分布与发射强度相似, 随着靶温度的升高高温高密度的等离子体进一步膨胀了。
激光诱导击穿光谱 预加热靶 光谱加强 电子温度 电子密度 Laser-induced breakdown spectroscopy Preheated target Plasma emission Electron temperature Electron density 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2032
红外与激光工程
2023, 52(3): 20220470
1 电子科技大学 资源与环境学院，四川 成都 610054
2 上海空间推进研究所 上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112
目前，电弧激励器的仿真研究仅局限于得到激励器产生的等离子体的电势、压力、温度和速度等工作特性，而其有关的等离子体状态参数仅限于用光谱诊断其电子温度和电子密度等，二者是分立的，本文试图将其二者统一起来。本文设计了电弧射流等离子体激励器，采用有限元法求解非线性多物理场方程，对此电弧射流等离子体激励器的工作特性进行了数值模拟，得到了激励器内部的电势、压力、温度和速度分布，并在此基础上计算了电子密度，由激励器工况得到了激励器等离子体状态参数（电子温度和电子密度）的仿真计算模型。然后采用发射光谱诊断方法对射流等离子体进行了光谱诊断，利用分立谱线的强度比例法对等离子体电子密度进行计算。结果表明：电弧等离子体激励器诊断实验得到的最高电子温度为10505.8 K，最大电子密度为5.75×1022 m−3。对于不同工况下的等离子体电子温度和等离子体密度，实验和仿真结果数值均随入口气体流量增大及放电电流的增大而增大。表明对于所设计的小型化、高射流速度的电弧射流激励器等离子体状态参数的仿真计算模型是合理且适用的。说明将激励器工作特性仿真与光谱诊断的电子温度、密度统一考虑是基本成功的，同时还有值得进一步改进的地方。
发射光谱 光谱学 电子密度 电弧激励器 emission spectrum spectroscopy electron density arc actuator
通过自主设计正极性Marx纳秒脉冲电源, 在不同放电频率、 不同电源电压幅值下, 采用发射光谱在真空环境下对氩气放电时的电子激发温度和电子密度进行测量计算。 通过双谱线法选取合适的Ar原子谱线, 求得电子激发温度在1 550～3 400 K之间, 在正极性脉冲电源做电压源, 且电源电压一定时, 电子激发温度随着电源频率的升高而呈现上升趋势, 在电源频率一定时, 电子激发温度也随着电源电压的增加而升高。 依据Stark展宽原理对真空体积介质阻挡放电时的电子密度进行了测量计算。 电子密度的数量级可达1013 m-3, 当电源电压不变时, 电子密度随电源频率的增加呈现上升趋势, 当电源频率不变, 电子密度随着电源电压的升高也逐渐提升。
真空介质阻挡放电 发射光谱 电子激发温度 电子密度 Vacuum DBD Emission spectrum Electron excitation temperature Electron density
西安工程大学环境与化学工程学院, 陕西 西安 710048
远程等离子体可以有效避免电子与离子碰撞产生的刻蚀作用, 加强自由基反应, 取得更好的改性效果, 在膜材料领域具有重要的应用价值。 为了更加深入研究远程等离子体中电子状态及其变化规律, 采用发射光谱法对远程Ar等离子体进行了诊断, 研究了射频功率、 反应腔室内压强、 距放电中心距离对远程Ar等离子体发射光谱强度、 电子密度和电子温度的影响。 结果表明, 在690～890 nm区域中特征峰较为集中, 由ArⅠ原子谱线占主导, 且谱线强度的变化规律和电子密度的变化规律相同。 通过玻尔兹曼斜率法选取3条ArⅠ谱线计算了不同放电参数下的电子温度。 电子温度随射频功率、 反应腔室内压强、 距放电中心距离的改变而改变。 射频功率从30 W增加到150 W时, 电子温度从3 105.39 K降低至2 552.91 K。 压强从15 Pa增加到25 Pa时, 电子温度从3 066.53 K降低到2 593.32 K, 当压强继续增加到35 Pa时, 电子温度则增加至2 661.71 K。 在距放电中心0～10 cm处由于等离子体电位增大, 电子温度上升, 而10 cm后电子温度不断下降在距放电中心80 cm处趋于0 K。 通过分析ArⅠ696.894谱线的斯塔克展宽计算了远程Ar等离子体的电子密度, 发现电子密度的数量级可达1016 cm-3。 射频功率从30 W增加到150 W时, 电子密度从2.15×1016 cm-3增加到2.88×1016 cm-3, 压强从15 Pa增加到25 Pa时, 电子密度从2.36×1016 cm-3增加到2.90×1016 cm-3, 当压强继续增加到35 Pa时, 电子密度则降低至1.89×1016 cm-3。 增加轴向距离电子密度快速下降并在距放电中心80cm处趋于0cm-3。 可以通过控制放电参数及轴向距离来获得低浓度电子、 离子氛围, 有效避免电子与离子碰撞造成的刻蚀作用, 获得更好的改性效果。
远程等离子体 发射光谱 电子温度 电子密度 Remote plasma Emission spectrum Electronic temperature Electron density
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
提升太赫兹(THz)脉冲产生能量一直是近些年超快光学的研究热点之一。基于双色激光在空气中拉丝产生THz波的数值模型，在隧穿电离范围内，详细分析了双色激光场产生THz波的最佳参数组合以及其产生变化的物理机理，用于得到最强的THz波辐射能量。双色激光场组合的电场具有不对称性，其引起的快速振荡有利于电子的加速过程，进而产生更大电子数密度以及在沿拉丝距离形成了更强的累积净电流。当电子密度和净电流增加时，使得单点THz辐射更强，拉丝各点辐射的THz波相干叠加，于是在远场得到了更强的THz波能量。这些研究结果为不同激光产生条件下增强THz波辐射能量提供了详尽的参数分析及理论依据，重点研究了不同寻常波长组合及不同相对相位对激光拉丝产生太赫兹波的影响，对后续大幅增强THz辐射效率具有重要意义。
THz波 双色激光场 电子密度 波长 terahertz wave two color laser field electron density wavelength 
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
3 西北大学化学与材料科学学院, 合成与天然功能分子教育部重点实验室, 陕西 西安 710127
激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种快速、 实时的元素分析技术, 由于其在痕量元素探测、 地质环境监测等领域有着广阔的应用前景, 而受到人们极大的关注。 在实际应用中, 样品表面是影响等离子体产生及其特性的关键环境因素之一。 在大气环境下, 利用脉宽为8 ns、 波长为1 064 nm的纳秒脉冲激光产生等离子体, 对比研究了天然岩石样品在非平坦和平坦表面条件下等离子体的发射光谱。 基于激光辅助辐射波模型, 阐释了非平坦样品表面对其光谱特性的影响。 通过对比等离子体时间积分光谱, 发现非平坦样品的谱线强度相比于平坦样品的谱线强度减弱了近70%, 该结果说明非平坦样品表面对LIBS真实测量数据的负面影响不可忽视。 针对褐铁矿样品中的谱线Fe Ⅰ 404.58 nm和Fe Ⅰ 438.35 nm, 研究了在平坦和非平坦样品表面下的峰值强度以及其衰减因子随激光能量的变化规律, 结果表明非平坦样品表面条件下采集的光谱强度始终低于平坦样品表面的光谱强度。 光谱强度的衰减因子先随激光能量增大而逐渐降低, 并在激光能量33 mJ达到最小值, 后随激光能量的进一步增大而增大。 实验结果进一步表明在非平坦样品表面条件下产生了密度较低的等离子体, 并且非平坦与平坦样品的电子密度的比值在激光能量33 mJ时达到最小, 此结果与光谱强度的衰减因子随激光能量的变化趋势一致, 这是源于非平坦样品表面会形成较大激光入射角度, 使得激光等离子体能量吸收区厚度变薄, 产生等离子体屏蔽效应所对应的激光能量阈值升高。 此外, 样品表面状态和激光能量对等离子体温度的影响甚微。 阐述了非正入射时等离子体特征参数与正入射时等离子体特征参数的联系和差异, 揭示了非平坦样品激光等离子体特征参量变化的内在物理机制, 为室外LIBS探测技术在元素定性和定量分析中光谱强度的校正提供参考。
激光诱导击穿光谱 非平坦样品 原子光谱 等离子体温度 电子密度 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Non-flat sample Atomic lines Plasma temperature Electron density 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3024
沈阳航空航天大学航空发动机学院, 辽宁 沈阳 110136
为了解Ar添加对空气滑动弧等离子体的影响, 在放电频率f=10 kHz、 空气流量qAir=15 L·min-1、 1 atm下进行了Ar体积流量qAr对空气-Ar滑动弧放电的影响试验研究, 重点分析了不同qAr及调压器电压U调下空气等离子体的活性粒子种类、 电子密度及振动温度。 结果表明, 滑动弧等离子体区的主要活性粒子为OH、 N2的第二正带系、 Hα、 O原子、 ArⅠ及ArⅡ原子, 其中O原子及ArⅠ、 ArⅡ原子的相对光谱强度明显较强; 随着qAr的增大, O(777.4 nm)的相对光谱强度先缓慢增长、 再快速增大到极大值、 随后缓慢减小并趋于稳定, O(777.4 nm)的相对光谱强度在1 580~6 650 a.u.之间变化; 随U调增大, O(777.4 nm)的相对光谱强度增大, 且电压对其影响受qAr的影响: 在高qAr(4~6 L·min-1)工况下, O(777.4 nm)的相对光谱强度变化趋势较大; Ar的加入使OH(313.4 nm)相对光谱强度有明显增加, OH(313.4 nm)相对光谱强度在235~311 a.u.之间变化; 随着qAr的增大, OH(313.4 nm)相对光谱强度先增大再减小并趋于稳定。 在较低U调(100 V)工况下, OH(313.4 nm)的相对光谱强度随qAr变化不明显; 而随着U调增大, OH(313.4 nm)的相对光谱强度随qAr变化明显: 在低qAr(0~4 L·min-1)工况下, OH(313.4 nm)的相对光谱强度随qAr增大而明显增大。 利用Hα谱线做高斯拟合进行电子密度分析计算, 得到电子密度在1.15~2.04×1017 cm-3之间。 空气流量一定, Ar的加入能显著增加电子密度: 在qAr为0~4 L·min-1工况下, 电子密度增长趋势明显, 随着qAr的继续增大, 在较低U调(100~120 V)工况下, 电子密度先增大再减小并趋于稳定; 在较高U调(140~160 V)工况下, 电子密度先增大再缓慢增大并趋于稳定。 U调变化也会对电子密度造成影响, 电子密度随U调增大而增大, 且随U调增大, 电子密度增长趋势变快。
滑动弧放电 发射光谱法 振动温度 电子密度 Gliding arc plasma Emission spectrometry Vibration temperature Electron density OH O OH O 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3006
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 310027
3 中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室，四川 绵阳 621999
提出了一种用于模拟探测光穿过等离子体通道后衍射成像过程的分段衍射模型，该模型考虑了等离子体对探测光的散焦效应。将分段衍射模型与现有计算模型进行对比，并将模拟结果与基于纵向衍射测量法的实验结果进行拟合，获得了不同衍射环结构下的电子密度分布。结果表明：分段衍射模型可以拓展探测范围，实现对较高电子密度等离子体的测量。基于分段衍射模型测量电子密度和光丝尺寸的方法为精确诊断光丝提供了一种新思路。
非线性光学 飞秒激光成丝 等离子体诊断 衍射理论 电子密度 中国激光
2022, 49(24): 2408001
