采用溶液旋涂和高真空蒸镀工艺制备了平面和体异质结混合型器件结构的三基色有机光电探测器, 利用实验分步探究其不同组分的活性层厚度、混合度以及前置吸收层对器件光电特性的影响.在此基础上, 对三基色有机光电探测器进行样品制备及测试.结果表明, 混合型结构的光电探测器件对光的吸收几乎覆盖整个可见光区域, 对350~700 nm范围的光呈现出类似于平台式的宽光谱响应.该器件在-1 V偏置电压下, 对红、绿、蓝光的比探测率分别为2.89×1011 Jones、3.22×1011 Jones、1.97×1011 Jones, 表明该器件对红、绿、蓝光有较好探测效果, 尤其对红光的探测率有3~4倍提升.

为了拓展目前实验室辐射标准的动态范围, 提出了基于积分球光源的大动态范围辐射标准传递技术.即在等色温调节的前提下, 结合可调光阑和基于大动态范围响应线性硅探测器的监视辐射计将辐照度标准灯-漫射板系统的光谱辐亮度工作标准传递到大动态范围可调节积分球光源各个亮度等级, 从而实现辐射标准的动态范围拓展.通过研制大动态范围多级可调节光阑并分析探讨光谱匹配、硅探测器的响应线性对辐射标准传递精度的影响, 最终在400~2 500 nm范围内, 积分球光源在6个量级内的辐射标准不确定度有望达到4.3%~6.1%, 这对光辐射测量定量化发展具有重要的意义.

对采用相位生成载波解调的光纤激光水听器系统中3 kHz附近频域内固有噪声的产生机理进行了理论推导, 并设计实验进行验证.首先测量得到泵浦激光器的驰豫振荡频率峰值, 随后以400 Hz为间隔逐渐降低相位生成载波信号频率, 观察固有噪声峰值的移动方向和大小.实验结果表明, 随着载波信号频率的降低, 固有噪声峰也向低频方向移动, 移动间隔同样为400 Hz.可知相位生成载波解调算法中高频载波调制信号与泵浦激光器的驰豫振荡频率叠加是形成探测频谱固有噪声的主要原因.通过降低高频载波调制信号频率的方法对驰豫振荡噪声进行抑制, 消除了探测频谱中的固有噪声峰, 得到了较为平坦的本底噪声谱.

利用激光多纵模拍频频率与谐振腔色散系数的关系实现光纤的色散测量.测量系统采用可调光纤Fabry-Perot滤波器与光环行器构成窄带波长可调反射镜, 作为光纤激光器的后腔镜, 以光纤Sagnac干涉器作为前腔镜.将待测光纤置于谐振腔内, 用频谱分析仪测量激光器拍频频率随激光输出波长的变化, 得到待测光纤的色散系数.用该系统分别测量了色散补偿光纤和标准单模光纤的色散系数, 实验结果表明该方法能够满足通信光纤的色散测量要求.该系统测量速度快、成本低、结构简单, 具有良好的应用前景.

提出一种基于时钟同源I/Q解调的相位敏感光时域反射系统解调方法.分析了调制信号与混频信号非同源不一致对解调结果的影响, 采用声光调制器调制信号、斩波信号与I/Q混频信号时钟同源的方法以消除残余频率的影响.实验采用双压电陶瓷作为扰动源, 通过I/Q解调实时获得后向瑞利散射光幅值和相位, 进而实现扰动的定位和还原.实验结果表明, 该系统能有效地探测到5 km和9 km处的正弦扰动, 定位信号信噪比分别达17.8 dB和16 dB, 相位解调结果准确还原正弦扰动, 与正弦曲线的拟合系数分别为0.994和0.991, 均方根误差分别为0.116和0.141.实验进一步验证了该方法能够测得不同扰动幅度下的相位正弦变化曲线, 并能准确得到不同扰动频率, 且扰动位置处相位变化幅度与扰动强度具有良好的线性关系, 线性拟合系数达0.992, 均方根误差为0.499, 均优于非同源解调结果.

为了获得更高的线性度和更强的抗干扰能力, 提出一种改进的相位生成载波解调算法.利用滤去直流量的干涉信号及其与基频相混频的信号来进行运算, 将两路信号倍频后的差分结果与其相乘后的微分结果相除来实现对被测信号的解调.该方法可有效消除光源扰动和直流分量对解调结果的影响.仿真结果验证了改进解调算法的可行性及优势, 与传统算法相比获得了更高的线性度和更强的抗干扰能力, 并打破了基频混频只适用于小信号的局限性.搭建实验系统进行验证, 结果表明改进算法的频率解调准确率较高, 且强度响应一致性较好.

采用高温固相法合成了Sr2La8(SiO4)6O2∶Eu(2+,3+)荧光粉, X射线粉末衍射数据分析结果表明, 试样为氧磷灰石结构, 属于六方晶系, 具有P63/m(176)空间点群结构.荧光光谱分析结果表明, Sr2La8(SiO4)6O2∶Eu(2+,3+)激发光谱为位于200～600 nm, 由275 nm、336 nm两个宽峰和392 nm、461 nm、466 nm、523 nm等锐线峰组成.两个宽带激发峰可由272 nm、300 nm、336 nm三峰拟合而成, 峰面积比为1: 0.52: 4.09.272 nm、300 nm峰归属于Eu3+的电荷迁移激发跃迁态, 336 nm峰来自Eu2+的f-d跃迁.在393 nm激发下, Sr2La8(SiO4)6O2∶Eu(2+,3+)发射光谱在500~750 nm范围内呈现多条锐线发射, 在613 nm处发射峰最强, 以电偶极跃迁5D0→7F2为主, Eu3+占据无反演对称中心格位.Eu3+磁偶极跃迁5D0→7F1处的峰可由584.5 nm、588.5 nm、594 nm、597 nm四峰拟合而成, 表明Eu3+进入基质晶格中占据 4f(C3)和6h(Cs)两种格位.X射线光电子能谱图分析结果表明, 试样中Eu3+与Eu2+的含量比接近2∶1.Eu2+与Eu3+存在能量传递作用, 试样在紫外灯下照射呈现烛光黄色, 可用于LED.

从玻璃组分与玻璃光学折射率分布及零色散波长位置的影响机理出发, 研究低色散卤化物对硫系玻璃的色散调控作用.制备了Ge-Ga-Se-CsI硫卤玻璃, 利用差示扫描量热仪、红外椭偏仪、红外光谱仪等测试了该玻璃的物化性质, 分析了原料和玻璃提纯工艺、CsI含量对玻璃形成以及透过范围的影响, 并计算了该玻璃的材料色散.实验结果表明: 该玻璃的透过范围可覆盖可见光至中远红外波段(0.55~18 μm); 该玻璃的材料零色散点随着CsI含量的增加明显蓝移, 摩尔百分比为20%和40%的CsI含量可使该玻璃材料的零色散波长蓝移至3.5 μm和1.5 μm附近, 且该玻璃的热稳定性较好, 有利于低色散中红外光纤的制备和应用.结合玻璃提纯技术和高温聚合物保护拉丝光纤拉丝工艺, 获得了最低损耗为8.2 dB/m的单折射率硫卤玻璃光纤.

为了探究碘元素对贫S基(GeS1.5)100-xIx和(GeS2)100-xIx(x=5,10,20,30,40)两个系列玻璃性质的影响, 用快速真空和高温熔融淬冷技术制备了这两个系列的玻璃样品, 对比测试了两组样品的密度、近红外吸收光谱、红外透过光谱、折射率、光学带隙和热膨胀, 并在折射率数据的基础上计算了材料零色散波长.研究表明: 随着碘含量的增高, 近红外吸收截止波长发生明显的蓝移现象, 玻璃转变温度和软化温度明显下降, 玻璃的转变温度范围分别为222~330℃和236~332℃, 软化温度范围分别为267~375℃和282~364℃, 膨胀系数增大, 红外透过性明显提高, 光学带隙逐渐增大.通过扫描电子显微镜测定了玻璃组分的归一化质量比, 并对比了抽真空时有无液氮冷却情况下玻璃原料中碘的含量损失差异, 结果表明使用液氮冷却方法会增强玻璃中的杂质吸收峰.优化了玻璃制备工艺, 采用高温聚合物做保护层对(GeS1.5)60I40玻璃进行了拉丝实验, 测得其最低损耗为2.8 dB/m.

基于实际激光除冰过程对光斑尺寸与作用距离的需求, 根据激光器功率与抗激光损伤阈值的工艺参数, 确定激光除冰光学系统的纵向长度与横向尺寸, 据此设计了作用距离为100~500 m且光斑尺寸为200~600 mm可调的抗高功率损伤光学系统.针对激光作用距离、光斑尺寸与调焦距离的关系曲线进行了理论计算与模拟仿真, 仿真结果表明系统可实现所需的作用距离与光斑, 并经实际样机实验得以验证.

基于多层衍射光学元件的位相延迟表达式, 提出了单点金刚石车削影响下的多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型, 并给出了相应的分析表达式.以基底材料分别是硒化锌和硫化锌构成的多层衍射光学元件在近红外波段(1.4~2.5 m)的应用为例进行分析.结果表明表面粗糙度会导致多层衍射光学元件衍射效率和带宽积分平均衍射效率的明显降低, 从而降低了混合成像光学系统的成像质量.因此, 单点金刚石车削衍射元件时, 要根据使用需求制定合理的表面粗糙度加工误差.

为解决传统Dyson成像光谱系统结构过于紧凑而难于实际应用的缺点, 通过减薄半球透镜厚度和偏置狭缝位置的办法, 将狭缝、像面与半球透镜之间拉开了足够的轴上距离和垂轴距离; 结合光程进行分析, 获得了改进后Dyson系统的消像散条件; 在半球透镜和凹面光栅之间增加两个球面透镜, 对轴上距离带来的额外球差和色差进行校正.结合改进的Dyson成像光谱仪和Schwarzschild双反射镜系统, 设计了宽波段、小F数高光谱成像仪光学系统.对一工作波段为320~1 000 nm的实例设计结果进行分析可知, F数为1.8的全系统像差得到充分校正, 全视场全波段调制传递函数值在0.5以上, 光谱分辨率达到3.6 nm.该系统可用于沿海环境的高光谱观测.

基于狭缝波导和热光学调制的耦合特性, 提出一种尺寸为15 μm×20 μm的绝缘硅基底的超小型微环谐振器, 该器件可通过调节加热器功率调节其带宽.用时域有限差分法模拟其可调谐特性, 结果表明, 当加热器功率从0 mW增加至0.742 mW时, 1550 nm入射光的TE模式在1 900 nm波长下的带宽可调范围为2.5 nm, TM模式在1 543 nm波长处的带宽可调范围为3.1 nm.该器件尺寸小、驱动功率低、可调谐带宽范围大, 适用于动态集成光信号处理, 如重构滤波和布线等.

为了探究发光二极管(LED)封装胶对LED失效性的影响, 选取LED封装硅胶失效案例进行了失效性分析.利用傅里叶转换红外光谱分析和气相色谱质谱联用仪对失效样品进行成分分析, 根据分析结果总结样品的失效机理.分析结果表明: LED灯珠封装气密性检测过程中材料的化学不兼容性导致封装胶失效, LED灯珠气密性变差, 进而影响到光、电、热、机械结构、材料特性等, LED可靠性降低.在LED生产制造过程中, 需要避免材料的不兼容性, 增加LED的可靠性.

利用叠层一维光子晶体提高半透明有机太阳能电池的光电转换效率和调控器件的透视颜色.采用传输矩阵法计算了基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池中活性层的吸收光谱和器件的透过率光谱, 进而计算了器件的光电转换效率和透视颜色.研究结果表明, 通过合理设计叠层一维光子晶体中顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长, 可以将器件的光电转换效率提高24.4%.此外, 通过控制顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长, 可以调控半透明有机太阳能电池的透视颜色, 获得透视颜色分别为蓝色、绿色和红色的半透明电池器件.与单层一维光子晶体相比, 叠层一维光子晶体可以使器件获得更高的光电转换效率, 并能在更大光谱范围内调控器件的透视颜色.

根据尾焰中气体的吸收特性, 基于蒙特卡洛法建立了尾焰红外辐射特性模型, 并用该模型计算了某型发动机尾焰在5个不同红外波段的辐射特性(1.32~1.69 μm, 1.56~2.27 μm, 2.27~3.8 μm, 3.8~8.3 μm, 8.3~20 μm).为了验证仿真模型的有效性, 进行了发动机点火试验.试验结果与仿真结果表明该型涡喷发动机在2.27~3.8 μm波段辐射最强, 在长波波段8.3~20 μm辐射面积最大.

研究了线极化波在拓扑绝缘体和手征介质分界面上全反射时的Goos-Hnchen(GH)侧向位移和Imbert-Fedorov(IF)横向位移特性.使用修正的能流法推导出各位移表达式, 数值计算分析了入射角、拓扑磁电耦合效应、手征性等对位移的影响.结果表明, 当TE波入射时, 拓扑绝缘体的磁电耦合效应或手征介质的手征性对两种位移的影响较为一致, 即拓扑磁电耦合对GH和IF位移均为抑制, 手征性对位移基本为单调增强或单调抑制.而TM波入射时, 拓扑磁电极化率会使位移先增大后减小, 位移存在一个极值, 手征参数的增大使该极值向拓扑磁电极化率较小值方向移动; 手征参数对位移的影响虽基本上是单调性的, 但在某些情况中较为特殊, 如右旋圆极化波的GH位移在拓扑磁电极化率对位移增强阶段, 手征性也将增强位移, 而在拓扑磁电极化率对位移抑制阶段, 手征性也同时抑制位移.对拓扑绝缘体和手征介质界面GH和IF位移的研究, 为测量拓扑磁电耦合特性及手征电磁交叉极化性质提供了一种光学方法.

为了抑制车辆颠簸、倾角变化对传统激光多普勒测速仪的影响, 设计了基于Janus配置的分光再利用结构激光多普勒测速仪, 该测速仪由两个激光多普勒测速仪子系统镜像安装而成, 可补偿倾角变化对速度测量的影响, 因此对倾角变化不敏感.车载实验结果表明该测速仪的测速相对误差为0.3%, 在55.6 km的行程中组合导航的最大位置误差为5.8 m.该结构激光多普勒测速仪能够抑制车辆颠簸、倾角变化对速度测量的影响, 提高组合导航定位精度, 更适合陆用组合导航.

从盖革模式单光子雪崩光电二极管的光电特性出发, 分析了卫星激光测距的测距精度与激光脉冲宽度及回波强度的关系, 并利用长春站卫星激光测距系统对地球动力学卫星进行观测.结果表明, 当回波光子数为1 000左右时, 系统测距精度为10.2 mm左右, 当回波光子数为8 000时, 测距精度减小为9.4 mm左右, 表明回波强度较大时, 可提高卫星激光测距系统的测距精度; 当激光器脉宽为200 ps时, 系统测距精度为17.3 mm, 当脉宽为50 ps时, 系统的测距精度为10.0 mm, 表明卫星激光测距系统的测距精度随着脉宽变窄得到了有效提高.为进一步验证理论结果, 对Ajisai卫星进行实测, 分析了高重复频率激光测距系统对系统测距精度的影响, 结果表明采用窄脉宽高重复频率的激光测距系统, 激光测距有效回波数和标准点密度呈数量级增加, 测距精度也有一定的提高.因此, 为了改善卫星激光测距系统回波特性, 应选用脉宽窄、重复频率高、能量大的激光器作为基于盖革模式单光子雪崩光电二极管的卫星激光测距系统的激光光源.

对比研究了吡唑喹啉衍生物(PAQ5)的掺杂对聚N-乙烯基咔唑(PVK)聚合物薄膜载流子传输性能的影响.分析薄膜宏观的电流密度-电场关系发现: 电场F在106~107 V·cm-1范围时, 纯PVK薄膜中电流密度J∝F2.1, 而在掺杂了PAQ5(4.8 wt%)的PVK薄膜中J∝F2.9.掺杂薄膜导电能力的提高, 除了有空穴从阳极注入PVK形成的空间电荷限制电流之外, 也有PAQ5使电子从阴极注入和传输形成的传输电流.分析薄膜用飞行时间法测得的瞬态光电流谱可得: 在1×105~2×105 V·cm-1的低场下, 纯PVK薄膜中传导电流的主要是空穴载流子, 其迁移率在7.6×10-5 cm2·V-1·s-1, 而电子迁移的信息却很微弱, PAQ5掺杂浓度为2 wt%的PVK薄膜载流子传输性能没有大的变化.在PAQ5掺杂浓度为5 wt%的PVK薄膜中, 空穴的迁移率为6.0×10-5 cm2·V-1·s-1, 电子的迁移率为7.9×10-6 cm2·V-1·s-1.掺入的PAQ5建立的电子传输通道使掺杂薄膜载流子的传输性能得到显著提高.

采用低成本溶胶凝胶旋涂法制备了不同Mg含量的Zn1-xMgxO薄膜, 用其代替传统化学水浴法制备的CdS作为铜铟镓硒 (Cu(In,Ga)Se2, CIGS) 薄膜太阳电池的缓冲层材料.用X射线衍射仪、原子力显微镜、紫外可见吸收光谱和X射线光电子能谱仪等研究了Mg掺杂量对Zn1-xMgxO薄膜的结构、形貌、光学性能及Zn1-xMgxO/CIGS异质结之间能带排列的影响.结果表明: 所制备的Zn1-xMgxO薄膜均为非晶结构; 随着Mg掺入量的增加, Zn1-xMgxO薄膜的表面形貌由条纹状变为六方形纳米颗粒, 表面粗糙度由23.53 nm减小到1.14 nm; 光学带隙值由3.55 eV增大到3.62 eV; Zn1-xMgxO/CIGS之间的导带偏移值由+0.68 eV减小到-0.33 eV, 导带排列由“尖峰状”变为“悬崖状”; 当配制的溶液中Mg源和Zn源的摩尔比为0.1时, 所制备的Zn0.82Mg0.18O/CIGS之间的导带偏移值为+0.22 eV, 电池效率最高, 达5.83%.

选用碳元素常见的有机形态(C6H7O2)和碳酸盐形态(CaCO3)样品为实验对象, 配置一系列不同含碳量的样品进行激光诱导击穿光谱实验, 实验分析了不同形态碳元素样品在空气气氛条件下的激发特性.研究结果表明, 碳酸盐形态中可探测到明显的碳元素的原子谱线, 且与碳元素含量有良好的线性关系, 但较难探测到碳元素的分子光谱; 对于有机形态, 不仅能探测到碳的原子谱线, 还能探测到碳的CN分子谱线和C2分子谱线, 且分子光谱与碳元素含量具有较好的相关性, 说明碳元素分子光谱的形成与有机形态有关.将两种形态混合后, 发现CN分子光谱与有机形态中的碳元素含量具有较好的相关性, 说明利用探测到的CN分子光谱可以实现有机形态的鉴别.同时利用CN分子光谱的形成机制, 在两种形态混合后的样品中添加一定量的氮元素, 在氩气条件下, CN分子光谱与样品中有机碳元素含量存在较好的线性关系.进一步说明来源于空气中N和样品中N所形成的CN, 均可用于有机形态碳元素的鉴别.

在辽宁忠旺集团有限公司的熔铸厂, 利用自主研制的LIBS液态金属成分在线分析仪对熔融铝水的成分进行了在线监测.研究了通入探杆中氩气的最佳流量以及探测深度与氩气波动的规律, 发现氩气流量为1~1.4L/min时, 光谱强度最强, 探测深度位于氩气压力波动范围在±300 Pa, 并且压力波动有规律时的位置, 各元素浓度稳定性好; 利用实验室分析得到的固样数据对设备进行了标定, 长时间测试得到的在线监测结果为: Si、Fe、Cu、Mn、Cr的重复精度都小于2%; 浓度在0.1%~1%之间的Si、Fe、Mg的测量偏差都小于0.01%, 浓度低于0.1%的Cu、Mn、Cr的测量偏差都小于0.001%; 探杆多次升降浓度测量的稳定性小于3%.LIBS液态金属成分分析仪的测量重复精度、测量偏差以及多次升降测量的稳定性都能满足工业现场要求, 完全可以实现实时、在线监测熔融铝水的成分.

基于辐射度学理论搭建了用于激光诱导击穿光谱探测系统的绝对效率标定装置.用卤钨灯配备紫外玻璃滤光片和熔融石英漫射片作为标定的标准光源, 标定了配备Czerny-Turner型紫外波段光谱仪的激光诱导等离子体光谱探测系统.测得了系统在310~385 nm波长范围内的绝对光谱响应, 不确定度小于7%(在标准偏差为2的条件下).绝对效率标定可为激光诱导击穿光谱探测系统硬件评估提供一种手段.

对制备的七种不同湿度的岩屑样品进行实验, 研究了水分含量对激光诱导岩屑等离子体特性的影响以及不同水分含量下样品中各元素浓度值的修正方法.实验分析了Ca II 422.67 nm 谱线强度随岩屑样品含水量的变化, 通过Ca II 和Al I 各自四条谱线的玻尔兹曼图计算了不同水分含量下的等离子体平均温度, 并使用Lorentz拟合Ca II 422.67 nm谱线获得了不同水分含量岩屑等离子体的电子密度.实验结果表明, 随着水分含量的增加, 光谱强度、等离子体温度和电子密度均线性降低, 各元素自由定标模型定量分析结果有较大差异, 但不同水分含量的岩屑等离子体均满足局部热力学平衡的Mc Whirter标准, 自由定标模型可以用于不同水分含量岩屑样品的分析及影响的简单修正.

为了验证LIBS测量飞灰中碳含量变化的能力, 本文将煤粉与飞灰按照一定比例均匀混合, 得到24种含碳量不同的样品.在不同延迟时间下进行激光诱导击穿光谱实验, 得到温度指标发射强度比IMg1/IMg2随延迟时间的增大而减小, 纯飞灰样品的发射强度比IMg1/IMg2的数值明显大于其他混入煤粉的样品.样品中发射谱线强度比IAl/ISi1随温度指标IMg1/IMg2的增大而减小.飞灰样品加入煤粉后, 对等离子体的温度变化有明显影响.同时引入多元分析的方法, 将样品中C、Al、Mg、Ca、Fe等元素谱线强度与Si元素谱线强度的比值作为多元回归分析的自变量, 碳元素浓度作为因变量, 建立不同延迟时间下的回归方程.结果表明, 采用多元分析的方法进行定量计算, 根据回归模型得到的预测值与参考值之间的误差基本在9%以内.

以门控脉冲高压电源作为火花放电电源, 研究了火花放电辅助-激光诱导击穿光谱中放电通道与火花放电相对于激光脉冲之间延时的关系.研究结果表明: 在合理的剥离激光能量和电极空间布置下, 调节该延时可以实现由“V”字形放电到平行放电的转变.在“V”字形放电时, 火花放电会扩大烧蚀坑洞的直径、破坏横向空间分辨率; 而在平行放电情况下, 火花放电不会扩大烧蚀坑洞的直径, 从而保证其横向空间分辨率仅由激光剥离来决定.在平行放电的条件下开展了铝合金中铬元素的火花放电辅助-激光诱导击穿光谱定量分析, 其检出限达到了8.8 ppm, 比单纯的激光诱导击穿光谱技术的分析结果改善了8倍.在火花放电辅助-激光诱导击穿光谱技术中采用带外触发控制的火花放电模式, 可以实现平行放电和高横向空间分辨的样品表面元素分析.

以硅靶作为烧蚀样品, 研究了空气环境中空间约束的激光诱导击穿光谱.采用5×5组圆柱形约束腔来约束激光诱导的等离子体羽, 直径分别为4、6、8、10、12 mm, 深度分别为2、4、6、8、10 mm.激光脉冲的能量为70 mJ.利用Si(I)390.55 nm谱线分析了不同直径和深度的圆柱形空间约束腔对LIBS光谱强度的影响.结果表明空间约束下激光诱导硅产生的Si(I)390.55 nm光谱强度明显高于无空间约束下的光谱强度.在当前的实验条件下, 不同的约束腔的直径和深度对光谱辐射强度也有较大的影响,当圆柱形约束腔的直径和深度不同时, 获得的光谱强度也是不同的, 表明腔的尺寸对于光发射强度起很重要的作用.腔直径6 mm和深度2 mm的时候Si(I)390.55 nm谱线强度出现最大值.空间约束的增强主要来自激光诱导的等离子体时伴随产生的冲击波, 空间约束腔反弹冲击波并与等离子体进行相互作用, 致使等离子体的温度和密度增加, 最终提高等离子体的光辐射强度.

为了分析和检测天然玉石表面元素分布情况, 采用再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱技术对天然玉石表面进行二维元素成像分析.实验研究了正交双脉冲激光诱导击穿光谱条件下脉冲间隔和激光能量对原子辐射强度和信背比的影响.在优化的实验条件下, 对天然玉石样品表面36 mm×10 mm范围内进行了二维扫描分析, 获得了烧蚀坑洞直径约为30 μm的玉石样品表面微量元素Fe的二维分布图.结果表明: 再加热正交双脉冲技术能有效地检测天然玉石样品中的微量元素, 并在相同的样品损伤条件下提高了检测灵敏度.该技术不仅可以实现玉石样品的表面元素分布分析, 为玉石鉴定提供参考, 还可以应用于其他固体样品二维元素分布扫描成像分析, 具有较好的应用价值.

研究了激光诱导击穿光谱技术在判别未经预处理岩石样品沉积相方面的识别能力.将经地质专家鉴定的27个陆相和14个海相沉积样品作为待分析样品,B的谱线强度及B/Ga、Sr/Ba和Fe/Mn谱线的积分强度比分别作为区分依据用于判别沉积相.由于B、Ga、Sr和Ba在岩石中含量非常低, 而且分布不均,导致少量样品难以区分.Fe和Mn的含量相对较高,因此Fe/Mn能够很好地将陆相和海相沉积样品区分.相对于其它区分依据,Fe II 259.940 nm/Mn II 259.372 nm表现出最好的区分性能.激光诱导击穿光谱技术能够实现录井现场快速、准确判别岩石样品沉积相.

基于纳秒Nd∶YAG激光器与卡塞格林式望远镜系统建立了一套25 m远距离激光诱导击穿光谱测量装置, 实现了对金属靶材的远距离测量.在此基础上, 利用铝合金标样开展了金属中微量元素远程定量分析, 研究了不同距离下铝合金中Pb、Fe、Ni三种元素的定量分析标定曲线与探测极限.实验结果表明, 在5 m至20 m三种测量距离下, Pb、Fe、Ni三种元素定标曲线的相关性系数均高于0.97; 尽管激光诱导击穿光谱的光谱信号随测量距离增加快速下降, 但是检测限随测量距离增加并无显著改变, 均在50 ppm以下.

利用激光诱导击穿光谱技术对铬钢样品中的硫、磷元素进行了定量分析.采用1 064 nm Nd∶YAG 固体激光器, 在空气中激发样品, 产生的光谱信号通过中阶梯光栅分光后进入EMCCD 检测器, 对波长在220～800 nm 范围的光谱信号进行检测.研究了光谱强度与延时时间以及激光能量之间的关系.在优化的实验参数下采用谱线强度比内标法定量分析三种铬钢样品中的硫、磷元素含量.实验结果表明, 各元素定量结果的相对标准偏差最大值为2.6%, 相对误差为-8.3%～12.5%.三种铬钢样品中硫含量分别为0.011%、0.0079%和0.0048%, 磷含量分别为0.015%、0.014%和0.009%.激光诱导击穿光谱技术有望实现冶金工业的实时、在线和快速检测.

建立磁约束飞秒激光诱导铜等离子体辐射光谱采集系统, 通过发射光谱法分析磁约束效应对飞秒激光诱导铜等离子体特性的影响.在强度为0.67 T的稳磁场约束下, 等离子体辐射连续谱和分立谱均有增强, 分立谱线增强更显著; 铜原子上能级越高, 其辐射的原子谱线增强因子越大, 具有最高上能级的Cu I 507.6 nm增强因子最大, 为2.8; 等离子体铜原子谱线持续时间明显延长, 在等离子体演化初期, 谱线增强显著, 在较大延时, 谱线增强迅速减弱; 等离子体电子温度和电子密度均有提高.

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.

针对工业现场和野外恶劣环境下快速检测的需求, 设计并搭建了基于光纤激光器的便携式激光诱导击穿光谱实验系统.采用迭代小波变换去背景算法对光纤激光器的高重复频率造成的高的连续背景干扰进行消除.对比了去背景前后攀钢生铁样品中的Mn元素的谱线, 发现Mn元素的4条特征谱线的定标曲线决定系数分别由0.988、0.985、0.982和0.992提高到了0.994、0.994、0.994和0.995; 采用留一交叉验证得到的均方根误差分别从0.123、0.146、0.101和0.083, 降低到了0.072、0.085、0.062和0.073.结果表明, 采用该迭代的小波变换去背景算法, 能够有效地去除连续背景干扰, 提高回归模型的准确性, 进而提高激光诱导击穿光谱定量分析的准确度.

为快速检测贝类重金属的污染, 采用激光诱导击穿光谱(LIBS)结合多模型共识策略来预测泥蚶重金属铜的含量.分析铜元素的LIBS特征谱线, 提取铜元素的特征峰强度、面积、峰强比等变量, 分别构建多元线性回归模型, 以及基于铜特征光谱区域信息构建偏最小二乘模型.在这些校正的成员模型预测残差向量间, 通过拉格朗日乘数法优化各成员模型的线性组合, 使共识模型的均方误差和最小, 从而获得各成员模型的最优权系数.经外部预测集的验证, 共识模型的预测结果优于任一成员模型, 预测均方根误差为20.641 mg/kg, 相关系数为0.835, 且预测偏差仅为-0.473, 表明LIBS技术结合共识模型能用于重金属的定量检测.

采用介观尺度的格子玻尔兹曼方法, 结合气-液两相流模型, 对藻酸盐溶液的激光诱导液体转移进行了三维模拟.为获取气-液两相流模型的入口条件, 引入Rayleigh-Plesset方程对等离子体气泡的演化进行计算.数值模拟结果与之前的实验结果吻合, 反映了气泡形状变化和液体的向前向后转移现象.仿真研究表明液体的激光诱导转移机制主要与气泡动力学有关, 气泡的快速膨胀将引发向前转移, 而气泡的剧烈收缩是形成向后转移的主要原因.