超短脉冲强激光场中氙的高次谐波

在静态气室中,利用线偏振的掺钛蓝宝石(Ti:sapphire)超短脉冲激光(中心波长795nm,脉宽105fs,重复频率10Hz,单脉冲能量50mJ),获得氙气中5～17次(40～160nm)谐波的软X射线激光辐射。实验中着重观察了高次谐波谱线强度随激光强度的变化规律,由于激光强度已经接近甚至超过饱和,高次谐波谱相对强度随入射激光强度增加而增长到一定程度后开始下降,同时观察到介质的离子谱,证实了高次谐波谱的产生与离子辐射之间的转换关系。     

稀土氧化物薄膜激光感生电压信号采集研究

采用德国Lambda公司LPX300I型KrF激光器,脉冲激光输出波长为248 nm,重复频率为5 Hz,能量为400mJ,在倾斜5°的LaAIO3单晶衬底表面制备了La0.5(CaSr)0.5MnO3(LCSMO)和La0.9Ca0.1MnO3(LCMO)两种稀土氧化物薄膜.使用波长为248 nm的LPX300I型KrF准分子激光进行照射,重复频率为1 Hz,能量为300 mJ,对LCSMO和LCMO薄膜表面产生的激光感生电压(LIV)信号进行采集.对信号响应的波形特征进行分析和讨论,实验得出LIV信号半峰全宽与数据采集卡临界采样率成反比例关系.临界采样率的选择为新型快响应、宽光谱激光功率/能量器件设计和制作提供依据.     

激光诱导击穿锌等离子体的空间膨胀特性及能量依赖关系的研究

本文通过激光诱导击穿光谱技术研究了锌等离子 体在空间膨胀时其特性的演化,并研 究了等离子体产生对激光脉冲能量的依赖关系。在大气环境下将脉冲激光聚焦于锌金属靶表 面烧蚀并产生等离子体,采集等离子体膨胀方向不同距离处的时间分辨荧光光谱,确定等离 子体的电子温度及电子数密度参数,研究等离子体特性随空间膨胀距离及时间的演化关系。 然后改变激光脉冲能量,采集特定位置的锌等离子体荧光光谱,确定等离子体特征参数及其 时间演化特性对激光脉冲能量的依赖关系,研究激光脉冲能量对等离子体形成的影响。结果 表明,等离子体形成后其早期膨胀过程为超音速绝热膨胀,随等离子体空间膨胀距离的增加 电子温度先降低后升高,电子数密度先升高后降低。当延迟时间增加至2.2us时,随着空间 距离的增加,电子温度持续下降,电子数密度基本维持不变,此时超音速绝热过程消失。当 激光脉冲能量增加时,锌元素特征谱线强度逐渐饱和,电子数密度增加速率逐渐降低,等离 子体寿命持续增加。当激光脉冲能量低于100 mJ时,电子温度随激光 脉冲能量的增加而快速 上升。当激光脉冲能量高于100 mJ时,电子温度维持在 8500 K上下波动。因此,随着激光脉 冲能量的增加,等离子体屏蔽效应逐渐明显,脉冲激光与锌金属靶相互作用前期产生的等离 子体吸收激光脉冲能量维持自身的存在,最终导致仅有部分激光脉冲能量与金属发生相互作 用,使得谱线强度及电子温度的上升出现阈值。     

248nm准分子激光加工玻璃微通道的实验研究

为了提高玻璃微通道的加工效率及质量,采用248nm准分子激光加工玻璃微通道的新型加工方法进行了理论分析和实验验证,取得了不同激光参量下玻璃微通道的加工工艺数据。结果表明,激光加工玻璃微通道的刻蚀阈值为4.54103mJ/mm2;随着激光能量的增加,刻蚀深度近似成对数增长,经线性拟合得到刻蚀深度随激光能量变化的公式;随着脉冲频率的增加,刻蚀深度近似成线性增长,经线性拟合得到刻蚀深度随频率变化的公式;且通道底面粗糙度随激光能量及脉冲频率的增加,呈增长趋势;激光的能量在400mJ～600mJ、脉冲频率在4 Hz～7 Hz范围的组合激光参量可实现刻蚀率高、粗糙度小的微通道加工。这些结果对于合理选择激光参量、提高玻璃微通道的加工效率及质量是有帮助的。     

激光能量及延迟时间对土壤中Cr等离子体特性的影响

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对土壤样品中的Cr元素进行了分析,通过改变激光器能量及延迟时间,观测Cr等离子体信号强度的变化关系.实验结果表明,谱线强度随着激光能量的增大而增加,其信背比是先增大后减小,当激光能量为110 mJ时信背比最好;改变延迟时间时信背比随延迟时间的增大呈现先增后减的变化规律,谱线强度随延迟时间的增大而减小,最佳延时时间为0.84 μs.根据谱线强度与元素浓度的关系,建立了定标曲线,曲线拟合度为0.988,得出Cr元素的最低检测限约为25.22 μg/g.通过对数据的计算分析可知,选择合适的激光能量及延迟时间可以减少强烈的高温辐射干扰,提高检测限,有利于实现土壤中激光诱导击穿光谱方法的重金属元素在线检测.     

利用激光击穿光谱探测模拟体液

应用激光击穿光谱法(LIBS)探测了体液中各种物质的含量。脉冲Nd∶YAG激光器产生的波长1064 nm的激光束(脉宽10 ns,重复频率10 Hz,激光能量约300 mJ)经凸透镜聚焦后,击穿模拟体液(质量分数为10%葡萄糖和0.9%NaCl的混合水溶液)产生激光等离子体,利用中阶梯光谱仪和像增强CCD(ICCD)探测其光谱信号,开展相应的激光击穿光谱研究。实验结果表明应用激光击穿光谱的技术完全可以同时检测出溶液中的有机物(葡萄糖)和金属离子,而且金属离子的检测灵敏度明显优于有机物,各待测物质的特征谱线强度与其含量存在指数关系。该方法为体液中微量元素的精确测量提供了实验依据。     

多脉冲激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

通过实验测定了离体乳猪皮肤组织在多脉冲Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,重点研究了激光辐照能量密度、脉冲重复频率以及波长对皮肤组织温升分布的影响.研究结果表明:皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照能量密度、脉冲激光的重复频率以及波长密切相关;在激光辐照时间为40 s的情况下,同一波长同一频率时组织温度随能量密度的增加而增大,波长1064 nm、霞复频率10 Hz时的安全光剂量阈值为1118.19 mJ/cm2;同一波长同一能量密度时,组织温度随脉冲激光重复频率的增加面增大;同一能量密度同一频率时,波长为1 064 nm的多脉冲激光辐照皮肤组织时的光热效应较532 nm波长明显.     

双光路快速调谐脉冲CO2激光器

报道了一种采用双路高速伺服电机驱动光栅选线的方式,实现9~11 μm CO₂激光快速调谐输出。双光路谱线切换时间小于100 μs,单光路谱线切换时间小于50 ms。激光器输出谱线达70条,其中9P （20）、9P （28）单脉冲输出能量大于100 mJ,9R （30）、9P （40）单脉冲能量大于90 mJ,激光脉冲宽度小于100 ns,重复频率为20 Hz。     

采用扫描振镜方式的快调谐TEA CO2激光器

为了研制适用于激光差分吸收雷达(DIAL)的可调谐横向激励大气压(TEA)CO2激光器,利用六温度模型速率方程理论,分析了TEA CO2激光器的动力学特性,计算了激光器的各种输出特性.设计研制了一台高重复频率快调谐TEA CO2激光器,采用共振扫描镜扫描固定光栅的方案实现了激光的快调谐输出.当激光器高重复频率运转时,得到弱支谱线如10P(42)~10P(48)支谱线基横模能量大于100 mJ,脉冲宽度小于100 ns.10P(46)支谱线的远场发散角为2.41 mrad(水平),2.27 mrad(竖直),约为1.6倍衍射极限.实现了任意波长两条谱线在10 ms内快速切换输出.     

高光束质量短脉宽电光腔倒空Nd:YLF激光器

采用国产光纤束模块端面脉冲泵浦Nd:YLF激光晶体和电光腔倒空技术,实现了短脉宽、高稳定性和高光束质量的1 053 nm激光输出.在不同重复频率1 Hz至200 Hz及不同泵浦注入条件下,获得了脉冲宽度稳定在4 ns左右的激光输出;当重复频率为1 Hz、单脉冲注入能量为7.94 mJ时.单脉冲输出能量为0.78 mJ,脉冲稳定性的RMS为1.9%;当重复频率为200 Hz、注入平均功率为3.1 W时,输出平均功率为240 mW,脉冲稳定性的P-P值小于±5.1%.通过小孔选模获得了光束质量因子M2x为1.02、M2y为1.03的高光束质量激光输出.     

纳秒激光烧蚀光学玻璃的等离子体发射光谱特性

对波长355 nm,脉宽5 ns的激光脉冲烧蚀空气中光学玻璃产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究。结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于200 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成。此后,连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位。实验表明,由于存在等离子体屏蔽效应,脉冲能量大于35 mJ后,光谱线强度开始减弱。由时间分辨发射光谱发现,在等离子体羽膨胀过程中等离子体辐射波长(以Si I390.6 nm为例)存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减。     

非线性定标方法在炉渣成分分析中的应用

采用激光诱导击穿光谱技术对炉渣中的Ca、Mg含量进行了定量分析。由于炉渣成分复杂,建立的一元回归关系式往往得不到理想的结果,这时需要考虑多个自变量的回归分析问题。为了分析炉渣中Ca、Mg元素的含量,将炉渣中Mg、Ca、Fe、Si、Al的原子谱线强度以及Mg、Ca的离子谱线强度作为输入向量。由于不同谱线强度相差过大时,会使在计算出的权重系数中,不同谱线所占的比重大不相同。为了消除不同谱线强度差距过大的影响,对光谱强度进行标准化处理,把所有谱线强度的值放在了一个相似的范围。综合对比分析了非线性多元函数定标、BP神经网络定标以及径向基网络（RBF神经网络）定标在炉渣成分分析中的作用,并重点分析了RBF神经网络定标相对于传统非线性定标方法的优势。     

样品温度对激光诱导黄铜等离子体辐射特性的影响

为了研究样品温度变化对激光诱导铜等离子体特征参数的影响,利用单脉冲激光诱导激发加热台上的样品形成等离子体, 改变样品温度获得相应的黄铜等离子体发射光谱。分析了样品温度变化时特征谱线强度的变化,并在局部热 平衡(Local thermodynamic equilibrium, LTE)条件下,利用Boltzman方程和Stark展宽计算并获得不同样品温度 条件下等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律,同时讨论了激光诱导金属等离子体光谱增强的原因。 实验结果表明,延迟时间相同时,样品温度越高,谱线强度越强,电子温度和电子密度越大。由此可见, 适当升高样品温度可以提高谱线强度。     

激光诱导击穿光谱表征3D打印18Ni300模具钢表面硬度

3D打印零件的表面硬度直接影响着其后续的运行安全和使用寿命,目前硬度的测量依赖于破坏性取样后的实验室分析,缺少无损和在线的硬度测量方法。采用激光诱导击穿光谱技术研究了3D打印18Ni300模具钢表面硬度和光谱特性与等离子体特性的关系。得到了样品表面硬度和离子谱线与原子谱线的强度比以及表面硬度和等离子体温度之间的线性关系,离子与原子谱线的强度比和等离子体温度均随着表面硬度的增加而增大。实验结果证明了激光诱导击穿光谱技术作为一种近无损和在线表征3D打印零件表面硬度的方法的可行性。     

通过圆偏振光提高飞秒激光诱导击穿光谱的发射强度

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种快速、实时的元素成分分析技术。为了提高LIBS的灵敏度,人们已经提出多种方法来提高LIBS的光谱强度。本文采用飞秒脉冲激光烧蚀黄铜产生LIBS,对比了圆偏振和线偏振下LIBS光谱的强度,结果发现圆偏振下的光谱强度比线偏振下的强,光谱强度大约提高了15%。采用飞秒激光照射金属时,金属内部的自由电子吸收光子的能量。在线偏振飞秒激光场中,电子在脉冲的每个光学周期中经历交替的加速和减速;而圆偏振飞秒激光可以连续加速电子,因此电子可以获得更高的能量,这使得圆偏振飞秒激光产生的光谱强度不同于线偏振飞秒激光产生的光谱强度,圆偏振激光有助于改善飞秒LIBS信号的强度。     

大气颗粒物中重金属的双脉冲激光诱导击穿光谱研究

为了对沈阳市某工业区附近大气中重金属等离子体光谱特性进行研究,采用双脉冲激光诱导击穿光谱技术（Double pulse laser induced breakdown spectroscopy,DP-LIBS）对样品中主要重金属等离子体光谱进行测量分析。通过比较单脉冲（SP）和双脉冲（DP）激发的样品等离子体光谱,发现采用DP-LIBS技术可以很好地增强等离子体光谱的强度。研究DP-LIBS光谱强度随两个脉冲激光的间隔时间变化,在脉冲间隔为15 s时样品中重金属等离子体光谱得到了最大的增强。同时DP-LIBS技术也会提高样品等离子体光谱的稳定性,谱线的相对标准偏差由6%降低为3%左右。最后对样品等离子体的电子温度及电子密度随双脉冲间隔时间的变化情况进行了研究。     

饱和激发情况下油荧光非线性特征初步分析

利用激光诱导荧光( LIF)技术,从荧光强度和光谱偏移两个角度研究饱和激发状态下油荧光的非线性变化特征。利用能量变化的激光束诱导油样本荧光,获得荧光强度变化数据,通过非线性曲线拟合来标定荧光特征峰位430nm处的强度变化参数,获得该波长荧光强度的线性变化范围和非线性趋势,并利用探测波长处荧光强度构造出随诱导光强变化的三维油荧光光谱,实现基于激发光能量参量的油样本光谱区分。实验中,针对普通荧光光谱法无法区分的油样本,结合饱和激发状态下油荧光非线性变化和基于激发光能量参量的油样本光谱特征,实现了样本的有效区分。     

液体中Cu元素双脉冲激光诱导击穿光谱测量研究

为了研究液体中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱,文章通过双脉冲激光诱导击穿光谱(Double Pulse Laser Induced Breakdown Spectroscopy)技术,对竖直流动的CuSO4水溶液样品中Cu元素激光诱导击穿光谱的特性进行测量和分析。实验中使用两台532nm Nd:YAG激光器作为激发光源,等离子体信号通过光栅光谱仪和CCD进行采集。实验考察DP-LIBS积分延时、激光脉冲间隔等参数对LIBS信号的影响。研究结果表明Cu元素双脉冲激发时的等离子体特征谱线发射强度是单脉冲激发时特征谱线发射强度的2倍左右,信噪比约为3.3倍,当两束激光脉冲间隔2~3μs时,谱线发射强度有最大增强,最后由定标曲线拟合结果得到Cu元素在双脉冲检测限为9.87mg/L,比单脉冲LIBS提高了约6倍,实验结果为双脉冲LIBS技术应用于水体中重金属快速检测提供了依据。     

基于激光技术区分不同金相组织的研究

为了研究激光技术应用于区分不同金相组织的可行性,采用不同的热处理方法分别得到珠光体+铁素体和马氏体这两种不同的金相组织的钢样,选择合适的激光脉冲能量,对比分析了激光诱导击穿光谱的谱线强度与金相组织的关系,用主成分分析法对不同金相组织进行了区分。结果表明,不同金相组织的谱线强度不同,其中珠光体+铁素体组织的谱线强度较大,基体元素Fe的谱线强度差异比合金元素Mn的谱线强度差异大;不同金相组织呈现一定分布特性,主成分分析法能对不同金相组织进行区分,其中在波长范围280nm~320nm内区分效果最好。该研究验证了激光技术具有区分不同金相组织的能力。     

基于Pulser/Sustainer技术的可调谐长脉冲TE CO2激光器

采用光栅谐振腔,对一台基于Pulser/sustainer技术的紫外预电离长脉冲TE CO2激光器的调谐特性进行了实验研究.在增益体积为1.17 L,激光混合气体体积比V(CO2)∶V(N2)∶V(He)=1∶5∶19,工作气压为30 kPa条件下,实验测量了75条激光谱线的输出脉冲能量和脉冲宽度(半高全宽,FWHM),结果表明,相同的激励条件下,不同的激光波长,激光输出脉冲宽度有所不同.通过仔细观察比较四条主要谱线(9R(20),9P(20),10R(20),10P(20))的激光输出脉冲波形随放电电压、放电脉宽以及气体成分配比等的变化情况,说明基于pulser/sustainer技术激励的长脉冲可调谐TE CO2激光器的激光输出脉冲宽度随调谐波长的不同而变化.简单实验分析表明,谱线增益的变化可能是引起谱线输出脉冲宽度不同的主要原因.