液体激光聚焦击穿声辐射特性研究

激光与水介质相互作用时,在不同激光聚焦位置情况下,光击穿辐射声信号具有较大的差异性。为研究激光聚焦位置对辐射声波的影响,构建了激光声测量系统,实验研究了激光聚焦位置对光击穿辐射声信号的影响。结果表明,激光声信号脉冲宽度主要与激光脉冲宽度相关,与激光聚焦位置无关;激光聚焦位置影响声信号的时域波形及信号强度;应避免激光在空气中聚焦击穿。该研究结果有助于激光声研究的深入开展。     

一种水下激光声通信声源的设计方法

单个激光声脉冲具有脉宽窄、频带宽的特点,不适于远距离水声通信。为了改善激光声通信声源的频谱特性,提高通信性能,采用对激光声进行调制的方法,建立了调制激光声码元的数学模型,基于该模型,提出一种调制激光声源的设计方法,该方法使调制激光声码元频谱的能量集中体现在调制特征的频率上,降低了信号的频谱宽度,更利于激光声信号在水声信道中远距离传播;推导了在热膨胀机制和光击穿机制下调制激光声码元的调制参量,利用实验获得的热膨胀和光击穿激光声脉冲,仿真了该方法下的调制激光声码元,并分析其频谱特征。结果表明,该声源调制方法是正确和有效的。     

不同盐度海水的光击穿声辐射特性研究

强激光聚焦于水下时,通过光击穿机制辐射强声波信号。水体介质的盐度不同,在同等的激光参数、光学系统条件下,光击穿辐射的声波在强度、脉冲波形、频谱特征上具有一定的差异性。为研究水介质盐度对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,构建了激光声测量系统,实验研究了不同水体盐度参数对光击穿辐射声信号的影响。结论：激光击穿水介质伴随空泡脉动、声信号辐射效应;激光声信号脉冲宽度与水体盐度无关;空泡尺寸和激光声信号强度与激光脉冲能量成正比关系;水体盐度与激光声信号的强度早非线性变化关系。研究结果有助于激光声在海洋中的应用。     

不同黏性液体激光击穿声辐射特性研究

激光与液体介质相互作用时,在不同液体参数情况下,光击穿辐射声信号具有较大的差异性.为研究液体黏性、饱和蒸汽压等特性对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,推导了激光空泡壁的运动方程,构建了激光击穿声辐射测量系统,实验研究了不同液体参数对光击穿辐射声信号的影响.结论:液体饱和蒸汽压越高.激光空泡膨胀辐射的声波强度越低;液体黏性系数越大,将减缓空泡溃灭的速率,导致空泡牛存周期增长,并使空泡溃灭辐射的声波强度降低.     

空中对水下平台激光声通信技术的探讨

空中与水下目标间的通信是世界各国正在研究的一个重要但又未完全解决的问题,探讨了一种将激光通信信道、水声信道相结合的空中至水下平台的激光声通信模式,并研究了激光声通信特点及激光声信号的激发机理,建立了激光声通信实验测量系统,实验研究了激光声信号的强度、波形、频谱等特性.结论:激光一声通信模式可将空中光信道、水中声信道结合起来,具有强大的技术优势;调节激光参数可对通信的激光声信号进行控制.研究结果有助于激光声在海洋中的通信应用.     

激光等离子体声信号特性

为了对激光等离子体声信号特性进行深入研究,构建了激光声实验系统。使用波长1.06 mNd:YAG 脉冲激光聚焦击穿水介质产生激光等离子体声信号,使用水听器对信号进行接收,通过高速摄像机对信号产生过程进行了记录。分析了激光等离子体声信号的时频域特征。从理论上研究了激光等离子体声信号的指向性和传输特性,并进行了实验验证。研究结果表明:激光等离子体声信号时域脉宽为15 s 左右,频带宽度为200 kHz,主频在70 kHz 左右。信号在不同传输角度上的幅度差异很小,按照近似1/r 的规律衰减,传输过程中主频逐渐减小。     

脉冲激光导致水光学击穿阈值计算的简化模型

通过对自由电子密度速率方程的简化,得到了计算光学击穿阂值的解析式。将计算结果与波长分别在可见光和近红外波段,脉宽分别为纳秒、皮秒和飞秒的激光脉冲在纯净水和含有杂质的水中实验测量的击穿阈值做了比较,吻合较好。对于纳秒激光脉冲。在纯净水中多光子电离提供初始电子,随后雪崩电离很快在电离的过程中占主导地位。对于短脉冲,多光子电离作用显得尤为重要,并且在击穿的过程中复合损失和碰撞损失对击穿阈值的影响逐渐消失。     

气体等离子体辐射光声信号检测与分析

气体等离子体做为一种新的辐射源,因具有辐射范围宽等优点而备受关注。本文对强飞秒激光脉冲诱导大气等离子体辐射光声信号现象进行了探究,用实验的方法探测和分析了激光脉冲能量、偏振方向以及声传输的径向距离对光声信号强度的影响。     

一种新的改善激光声信号特性的方法

为了改善激光声信号的特性,设计了激光声换能器。对换能器的设计原理和结构进行了说明。构建了激光声实验系统,利用脉冲激光分别在自由场和换能器内部聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器。对两种条件下产生的激光声信号特性进行了比较。结果表明:同自由场产生的激光声信号相比,利用换能器产生的激光声信号特性有了一定程度的改善。其中,信号峰值幅度提高了3 倍,能量向60 kHz 以下频段集中,1m处发散角压缩到13.2,衰减速度变慢。     

多种光声成像方法研究

阐述了光声成像的基本原理,综述了现有的几种光声成像方法、原理及成果。介绍了国内外多个研究小组在光声成像领域所取得的一些成果,主要包括:用超声探测器记录光声信号的滤波反投影算法光声成像;超声探测器结合声透镜的傅里叶方法;用探测光做载波调制光声信号,将光声信号转化为光信号,经光学系统解调,将样品像显示在CCD摄像机上的实时光声成像等。对比了几种光声成像方法,并提出了一些光声成像的新思路。     

LIBS水下原位探测技术研究进展

作为一种分析技术,激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy, LIBS)近年来在各个领域有着快速的发展, 在水下的应用也逐渐受到关注。对LIBS水下研究从实验室模拟到现场试验、从机理研究到技术发展都进行了回顾,并以 中国海洋大学研制的深海LIBS原位探测系统LIBSea为例,给出了LIBS系统在海洋探测中获得的典型结果,最后对未 来5~10年LIBS水下研究方向进行了展望。     

激光诱导击穿光谱物质辨识与定量分析

综述了激光诱导击穿光谱分析技术(LIBS)在不同对象领域应用中的谱图分析方法.随着激光诱导击穿光谱应用对象的不断扩展与分析要求的变化,其定量分析方法已不局限于传统标样定标曲线分析模型,发展出了自由定标模型、各类内标法模型、自相关定量模型、神经网络分析模型等新的激光诱导击穿光谱分析方法.对每种方法的定量分析原理、分析能力水平与适用对象范围进行了详细的分析比较.     

基于激光诱导离解光谱的物质成分分析技术

阐述了激光诱导离解光谱分析技术的工作机理.基于Nd:YAG激光器和CCD器件多通道光栅光谱仪,建立了一套激光诱导离解光谱探测实验装置,针对激光脉冲能量,延迟探测时间,周围气体压强对LIBS探测性能的影响开展了相应的实验研究,实验结果证明:在较低脉冲能量下也可以获得原子光谱信号;适当调节延迟探测时间可以获得最佳的探测信噪比,某些样品几乎不辐射出强的背景连续谱,可以省去延迟探测;在5×10-5 Pa的低压条件下仍然可以获得信噪比较高的原子光谱信号,但信号的强度与大气气压相比明显变小;通过对低压样品室中高纯度样品的探测分析获取标准原子谱线,与未知样品的原子谱线比较以消除系统识别误差,从而准确识别出未知样品中的组成元素.     

一种采用高重复频率激光进行水声通信的方法

为研究空中平台与水下目标之间的激光声通信技术,提出了一种热膨胀机制下采用高重复频率激光进行水声通信的方法(重复频率法)。理论推导了高重复频率激光产生窄带声信号的过程,并通过实验测量进行了验证。利用高重复频率激光产生了频移键控(n-FSK)和多频移键控(n-MFSK)两种频移键控信号,结合现有激光器的技术指标,针对不同调制信号的水下通信距离、占用带宽、传输速率进行了分析计算,并与现有的方法(长脉冲法)进行了比较。结果表明,n-MFSK调制的传输速率比n-FSK调制的更快,频带利用率更高,但水下通信距离不及n-FSK调制;同为n-FSK调制,重复频率法的水下通信距离为1000m,比长脉冲法高40%,通信性能优于长脉冲法。     

应用于LIBS的CCD光谱测量系统

为了探测激光诱导击穿光谱(LIBS)的信号,设计了CCD同步光谱测量系统。该系统采用高灵敏度的SonyILX554B线阵CCD作为光谱探测器,运用一种新的驱动方法,可灵活控制CCD的触发延迟时间和光积分时间,从而最大限度地滤除LIBS背景辐射的干扰,得到最佳的原子辐射信号,提高LIBS检测的灵敏度。通过测量各种样品的LIBS信号在不同延迟时间和积分时间时的谱线图,证实其在LIBS宽谱、快速测量中的有效性,为开发低成本LIBS测量仪提供了技术依据。     

溶液中铬元素的激光诱导击穿光谱检测

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对含铬污水溶液中的重金属元素铬开展了探测实验。根据一系列含铬浓度不同的污水样品的LIBS实验结果,获得元素浓度和强度之间的关系曲线,即定标曲线。对CrⅡ(283.43nm)及CrⅠ(425.45nm)两处谱线进行了分析和比较。实验发现,283.43nm处原子辐射信号强度比425.45nm谱线强2倍;从定标曲线的线性相关度及信背比来看CrⅡ(283.43nm)谱线要优于CrⅠ(425.45nm)。计算二者检测限,质量浓度分别为80μg/mL(283.43nm)及170μg/mL(425.45nm)。实验采用CrⅡ(283.43nm)的定标曲线对含铬污水溶液进行了定量分析,测得该污水溶液的含铬质量浓度为333μg/mL,与采用原子吸收分光光度计所得到的检测结果(309μg/mL)符合较好。结果表明,在对铬元素进行LIBS检测时选用CrⅡ(283.43nm)谱线要优于CrⅠ(425.45nm)谱线。采用LIBS方法可实现对污水溶液中Cr元素的快速检测,具有很好的应用前景。     

基于遗传神经网络的激光诱导击穿光谱元素定量分析技术

提出了一种基于遗传神经网络定量分析模型的激光诱导击穿光谱(LIBS)分析技术。采用误差反向传播(BP)算法构造三层神经网络(ANN)结构,通过遗传算法对神经网络权值和阈值进行优化,并将该定量分析模型与LIBS技术有机结合,实现了元素含量的高精度检测。对土壤中的Ba和Ni元素进行定量检测,平均相对误差分别为4.15%和6.06%,相关系数分别为0.983和0.990,检测精度明显优于BP-ANN方法和光谱分析中常用的内标法。研究表明遗传神经网络建模方法具有很好的预测效果,为LIBS技术进行元素高精度检测提供了一种新的建模方法。     

应用LIBS技术定量检测湖水样品中的铜

为了对湖水中的铜元素含量进行定性分析及定量检测,实验采用了激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,进行了理论分析和实验验证。以120mJ激光能量值,1.28μs延时时间和1Hz重复频率,测定了Cu元素浓度在2～75mg/L区域内变化时324.75nm谱线的强度值。对Cu元素的特征谱线进行了定性分析;建立了Cu元素浓度与谱线强度的定标曲线,该定标曲线线性拟合相关度R2=0.99;通过检测限公式得到铜元素的检测限为7.37mg/L。采用该定标曲线对湖水中的Cu元素含量进行了定量检测,得到湖水中Cu元素浓度为10mg/L。实验表明,采用LIBS方法可对水溶液中重金属元素铜进行快速检测。     

脉冲激光在水中激发声脉冲的光声能量转换效率

利用TEA-CO_2脉冲激光在水中激发热弹光声信号,采用压电陶瓷水听器接收并将光声信号转换成电信号送入数字存储示波器,计算出声脉冲的能量,从而获得该激发条件下激光能量转换成声波能量的效率η。结果表明不采用凹面镜聚焦激光脉冲能量密度低于2 J/cm~2时,光声转换效率η为10~(-7)～10~(-5),聚焦之后η增大一个数量级;激光脉冲谱线宽度固定时,能量越高,η越高;激光脉冲能量相同时,激光脉冲谱线宽度越大,η越高。故可以通过聚焦、增加激光脉冲谱线宽度、提高激光能量等方法来提高光声转换效率η,获得强的热弹光声信号。     

土壤中微量重金属元素Pb的激光诱导击穿谱

从实验上测定了土壤在可见光谱区的激光诱导击穿光谱(LIBS),对测定的光谱结构进行了分析,并对可观测的谱线进行了归属,得出土壤所含的主要元素和部分微量元素;测定了不同Pb掺杂浓度下土壤中微量元素Pb405.78 nm谱线的强度,采用内标法拟合得到了该分析谱线的激光诱导击穿光谱定标曲线,由定标曲线的拟合结果计算得到Pb元素的检测限质量分数为36.7×10-6。