双脉冲激光诱导铝等离子体的双波长干涉诊断

双脉冲激光诱导等离子体在激光加工、元素检测、材料去除等领域有广阔的应用前景和发展空间,对其进行诊断具有重要意义。针对延迟双脉冲激光诱导铝等离子体的作用效果和影响机理,采用双波长干涉法对其时间演化规律展开研究。基于马赫-曾德尔干涉仪搭建了双波长干涉诊断系统,得到了双脉冲激光诱导等离子体干涉图。通过对干涉图的处理和分析,得到了等离子体电子密度随双脉冲激光延迟时间的变化规律。结果表明,随着双脉冲激光延迟时间的增加,第二束脉冲激光对等离子体电子密度的增强效果先加强后减弱。其中,双脉冲激光延迟时间为10 ns时,对等离子体电子密度的增强效果最强,在30 ns时刻,其中心区域平均电子密度可达6.49×1019 cm?3,相较于同等能量单脉冲激光诱导等离子体提升了26%。同时研究了延迟时间对第二束脉冲激光作用机制的影响。研究结果为双脉冲激光诱导等离子体的优化方向提供了参考。     

激光诱导放电等离子体羽辉的研究

为了研究激光诱导放电等离子体的膨胀特性，建立了一套基于脉冲CO₂激光诱导锡靶放电等离子体极紫外光源装置，采用增强型电荷耦合器件对羽辉进行拍摄，并采用1维真空电弧模型对实验结果进行了理论说明。实验中改变放电电压和激光能量，得到了不同条件下时间分辨的羽辉图像。结果表明，在激光能量140mJ、放电电压10kV的条件下，获得了稳定的放电等离子体；等离子体的羽辉形态与电流存在对应关系，经历了形成、膨胀、收缩、再次膨胀和消散的不同阶段，放电电压和诱导激光能量对羽辉大小、稳定性和形成时间有影响。此研究有助于提高激光诱导放电等离子体光源的稳定性以及极紫外光的输出功率。     

光丝诱导大气等离子体化学反应生成的一氧化氮测量

大气等离子体会诱导化学反应,一氧化氮(NO)是大气化学反应的主要产物之一,对其大气浓度的准确测量有助于揭示其大气化学反应机理并优化大气等离子体应用。在静态密闭反应池中,利用脉冲宽度35 fs、工作波长800 nm的脉冲激光生成光丝等离子体并诱导大气化学反应,进而采用中红外激光吸收光谱技术,实时测量了NO浓度随空气气压、反应时间的变化。在不同气压下,NO浓度随反应时间的增加而增加直至保持稳定,但NO达到稳定浓度所需要的反应时间随空气气压增加而延长。受到三体复合反应的影响,NO的累积体积比浓度从低气压时的400×10^-6以上减小到常压时(一个大气压)的120×10^-6左右。     

多光丝耦合诱导击穿光谱土壤微量元素检测

检测灵敏度是衡量一项检测技术的重要参数。为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度，搭建了三光丝耦合诱导击穿光谱(TIBS)系统，对土壤中的微量铬元素进行检测，并将检测结果与等离子体光栅诱导击穿光谱(GIBS)系统、光丝诱导击穿光谱(FIBS)系统进行对比。TIBS系统的谱线信号强度比GIBS系统增强了2倍，比FIBS系统增强了7～11倍。研究了FIBS、GIBS、TIBS系统的谱线强度随样品位置的变化，发现TIBS系统的激发稳定性与GIBS系统相近。此外，在对土壤中重金属铬的定量研究中，发现FIBS、GIBS、TIBS系统对土壤中铬元素的检出限分别为22.18×10^-6、8.68×10^-6、5.06×10^-6。TIBS系统相较于GIBS系统能进一步提高检测灵敏度。     

真空环境下低损耗高反射光学元件性能退化特性

为了研究真空环境对光学薄膜的影响,将离子辅助沉积制备的1064nm强光反射膜样品放置于真空度优于1×10^-5Pa的不锈钢真空室,实验观测其反射率和吸收损耗随放置时间的变化。结果表明,样品在真空环境放置335h后,其反射率从99.9823%下降到了99.9543%,吸收损耗从6.8×10^-6上升到了59.5×10^-6,用酒精乙醚混和液擦拭后其光学性能完全恢复,样品表面的污染层厚度随时间增加;操作过程中的人为因素是导致强光反射膜元件光学性能持续下降的主要原因。这一结果对高能/高功率激光光学元件在真空应用环境中稳定性的提高是有帮助的。     

对热核聚变靶进行球形加热的12路大功率激光装置“Deifin”

本文描述了对热核聚变靶进行高温球形加热的12路大功率激光装置“Delfin”。装置包括具有最终的光能量1万焦耳、光脉冲持续时间10^-10~10^-9秒和辐射的发散度约5×10^-4弧度的钕玻璃激光系统，用于激光辐射和等离子体相互作用的真空室，以及研究激光参量和等离子体参量的一套诊断系统。激光系统的光学方案和结构特色正在考虑。分析了不同的辐射聚焦方案，描述了照射靶的高度球对称“Delfin”聚焦系统，这种系统允许在靶面达到的最大通量密度为10¹⁵瓦/厘米²。激光等离子体研究的一些最重要问题和解决这些问题的一般诊断法正在考虑。     

有限宽全息干涉技术对等离子体电子密度的诊断

利用Nd:YAG激光器产生的1064 nm激光束(光斑直径为100μm,脉冲能量为60 m J,脉冲宽度为200 ps)聚焦击穿大气形成激光大气等离子体。采用全息干涉技术对激光击穿空气等离子体的电子密度分布进行了诊断,获得的无限宽条纹图直观反映了位移量的等位线,从有限宽条纹图获得了电子密度的分布,结果表明激光大气等离子体中各种离子和电子呈橄榄形分布,即沿激光束方向不对称,而垂直激光束方向对称分布,且最大电子密度为1018cm-3量级。     

缓冲气压对CO2激光Al靶等离子体参量的影响

为了研究缓冲气压对激光等离子体参量的影响,利用CO2,激光烧蚀A1靶产生等离子体,缓冲气压变化范围为10-4Pa～2103Pa,激光脉冲能量为180mJ/脉冲,在局域热平衡和光学薄等离子体假设下,采用发射光谱法计算了等离子体的电子温度和电子密度,并研究了缓冲气压对这些参量的影响。结果表明,等离子体的电子温度和电子密度分别在1.05eV～2.47eV与1.951016cm-3～10.5 1016cm-3范围内,Al等离子体的电子温度随气压的增大而减少;低缓冲气压时,电子密度随气压增大而减小,当气压达到600Pa时,激光脉冲会击穿空气形成等离子体,电子密度又开始上升,当气压超过3000Pa时,空气等离子体会屏蔽激光脉冲能量,使到达靶面的激光能量急剧下降,Al原子的特征谱线也随之减弱而几乎消失。这一结果对理解缓冲气压对激光与物质相互作用过程的影响是有帮助的。     

基于纳米颗粒热效应的飞秒激光高效直写金属铜微结构

在Cu（NO₃）₂前驱体溶液中添加硅纳米颗粒,采用飞秒激光在透明基底表面成功直写了导电金属铜微结构。前驱体溶液中的硅颗粒作为吸光粒子吸收激光能量后对溶液进行加热,使Cu²⁺还原为金属铜并沉积在基底表面。结果表明：当激光光强为5.32×10⁹～8.51×10⁹ W·cm^-2、扫描速度为100～500 mm·s^-1时,微结构主要由铜、Cu₂O及微量硅组成,铜含量及微结构的导电性随着光强的增加或扫描速度的降低而逐渐增加;在光强为5.32×10⁹ W·cm^-2、扫描速度为100 mm·s^-1的条件下,铜微结构的方阻为0.28Ω·sq^-1,电阻率为4.67×10^-6Ω·m。与已有的飞秒激光直写铜微结构的技术相比,这种方法使激光光强降低了2个数量级,直写效率提高了1～3个数量级。     

用于原子干涉重力仪的小型频率合成器设计与实现

在原子干涉重力实验中,拉曼激光制备常采用光学锁相环方法,即先将主从激光器拍频信号与6.8 GHz微波信号源进行混频,再与直接数字频率合成信号发生器进行鉴频鉴相,得到的反馈信号用以控制激光器实现低噪声拉曼光输出,而拉曼光相噪将直接影响原子干涉重力仪的灵敏度。本设计采用STM32F103C8T6单片机对LMX2594数字锁相环芯片进行编程控制,通过锁相环频率合成技术,最终获得6.8 GHz的微波信号源。测试结果表明,该微波信号源相位噪声分别为-65.2 dB@1 Hz、-95.3 dB@1 kHz,频率稳定度为2.72×10^-11@1 s,输出功率大于10 dBm。在脉冲间隔时间为100 ms时,信号源对原子干涉重力仪灵敏度的影响为8×10^-8 m/s²/Hz^1/2,分辨率影响为2×10^-8 m/s²@600 s,具有频率稳定度高、相位噪声低等优点,可以满足原子干涉重力实验。     

基于指向误差与不同噪声的星地激光通信系统误码性能分析

为了研究在大气湍流、指向误差以及各种噪声的共同影响下的星地激光通信系统平均误码率性能，采用Gamma-Gamma信道模型，建立了大气湍流与指向误差的组合衰减模型，并结合各种噪声推导出关于组合衰减模型的星地激光通信系统平均误码率的闭合表达式。研究结果表明，当卫星轨道高度为400 km、天顶角为45°、波长为1 550 nm以及等效波束半径和指向误差位移标准差(抖动)的归一化比值为4时，总噪声、热噪声、背景噪声对应的平均误码率分别为1.519×10^-7、6.907×10^-8、1.357×10^-8。     

激光诱导荧光实验系统设计及其对叶绿素a的检测研究

叶绿素a不仅是植物光合作用的重要物质,而且水质中叶绿素a的含量也是衡量水体富营养化程度的重要依据。而激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence, LIF)技术以检测灵敏度高、检测速度快被广泛应用到各个领域。为此,搭建了一款基于激光诱导荧光技术的检测系统,该系统以355 nm激光为光源,在无水乙醇中检测叶绿素a样品时可以发现在671 nm处有明显的荧光特征峰。利用RBF神经网络和BP神经网络对采集到的光谱数据进行建模和分析。所建立的RBF神经网络模型预测所得到的相对误差为2.966 8×10^-9,决定系数为0.937 71,平均回收率为94.103%。所建立的BP神经网络模型预测得到的相对误差为1.581 1×10^-9,决定系数为0.987 56,平均回收率为100.883%。结果表明,BP神经网络预测的各项指标优于RBF神经网络预测的各项指标。     

微微秒X射线等离子体辐射的测定

借助高速X射线图象变换照相机，已经直接测得X射线激光等离子体辐射。这种照相机以单帧方式运转，其曝光时间范围为5毫微秒到0.6微秒，以条纹方式运转时，条纹速度为5×10⁹到5×10²厘米/秒。条纹方式的时间分辨率的计算值大约是5微微秒。使10微微秒、1~2焦耳的激光脉冲聚焦在置于真空室中的钛靶上，得到了等离子体。记录到的X射线脉冲的半宽度变化范围为30~60微微秒。     

激光烧蚀平面碳靶的等离子体形态演化

激光等离子体推进是未来航空航天领域极具应用前景的前沿技术之一,而激光等离子体的形态演化成为激光等离子体冲击波推进的必要条件。本文基于激光等离子体形成的基本理论,模拟了激光碳等离子体的形态参数。之后利用波长为1.064μm、脉宽约10 ns的Nd∶YAG激光器等设备研究了不同激光功率密度下碳等离子体的形态参数,测量数据证实了理论结果。此外,由彩色数字摄像机拍摄的图像表明,当激光器的工作电压从700 V上升到1100 V时,观察到激光碳等离子体从发育不全到充分发育,再到发育过度的演化过程。因此,激光碳等离子体充分发育的条件是：激光器的工作电压调节到850 V,平均输出能量达157.1mJ,功率密度为4.45×10⁹ W/cm²。因等离子体的发育程度关系到激光等离子体冲击波的传播及作用,其研究成为激光等离子体冲击波推进的重要环节。     

环境气体中激光诱导Fe等离子体发射光谱的时间演化特性

环境气体对于激光诱导等离子体的形成和演化特征有着重要影响,适当的环境气体条件有利于激光诱导等离子体发射光谱分析的进行。利用准分子激光(308 nm)烧蚀低合金钢靶诱导等离子体原子发射光谱,研究了环境气体对等离子体发射光谱强度及时间演化特性的影响,对实验结果进行了讨论,得到了激光诱导Fe等离子体的原子发射光谱分析的优化条件。实验测定了不同气压氩气、氦气环境下及真空条件下Fe等离子体发射光谱强度及时间演化特性。结果表明,环境气体对激光诱导Fe等离子体发射光谱具有增强作用,而在较低气压下氩气比氦气的辐射增强效果更为显著。在5.32×104Pa氩气环境下,在等离子体形成后约6μs和10μs时发射谱线强度和信号背景比分别达到最大值。     

用巨脉冲激光产生等离子体

本文给出了使用功率为10¹⁰瓦之数量级的激光脉沖射在尺寸为10^-2厘米的液体或固体靶上,产生温度范围为几百电子仗特的热等离子体的有关计算。等离子体温度在很大程度上受其迅速膨胀及冷却的限制。这使绝大部分作为所需要的膨胀能量转换。这种所需要的膨胀能可以达到千电子仗特/离子。如果能在磁场中俘获膨胀的等离子体,而且可使其有規则的运动转变为无规运动,那么,这可以成为一种在受控热核聚变装置中充入热等离子体的方法。此外,应该可以对这类等离子体作多种有趣的等离子体实验。     

基于超稳腔PDH稳频的280 mHz线宽DBR光纤激光器

利用超稳腔PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术,对自研的分布Bragg反射(DBR)单纵模光纤激光器稳频,获得亚赫兹线宽超稳激光的稳频结果。通过优化腔结构参数,辅以绝热封装和精密温控等措施,并在腔内设置可快速宽范围调谐激光频率的压电陶瓷(PZT),研制出了可满足超稳腔PDH稳频要求的自由运转DBR光纤激光器。基于腔长为10 cm、精细度为360000的超稳光腔频率为参考频率,PDH稳频后光纤激光器的1 s和100 s频率不稳定度分别达到了6×10^-16和8×10^-15,频率噪声降低至8×10^-3 Hz²/Hz@1～10 Hz,激光线宽窄至280 mHz,由此表明研制的光纤激光器可用于构建亚赫兹线宽超稳激光光源。     

燃煤电厂波长调制激光吸收光谱氨逃逸测量系统的参数优化研究

基于波长调制激光吸收光谱(WMS)技术的气体浓度测量系统是燃煤电厂氨逃逸监测的主要手段。调制深度的选择是影响波长调制激光吸收光谱测量信噪比的关键,设计NH₃分子吸收光谱调制参数优化的数值仿真试验,研究发现在200℃伴热条件下,WMS测量系统的最优调制深度为0.238 8 cm^-1。在-20～500℃的宽温度范围内,随着温度的提高,最优调制深度接近线性的降低,最优调制深度a_m与摄氏温度T之间的关系可以用公式a_m=0.291 8-3.265 14×10^-4T+2.282 14×10^-7T²精确地描述,该结果对燃煤电厂氨逃逸监测系统的调制参数优化具有重要的指导意义。     

相向成丝荧光增强光谱检测技术研究

探索了一种基于两束相向传播飞秒光丝诱导荧光的光谱检测方法。实验结果表明，该方法能够延长荧光衰减时间，增强物质特征谱线强度。将该方法应用于盐水溶液中金属离子(K⁺、Na⁺、Mg²⁺)特征峰及含量的检测，其对Na⁺含量的检测灵敏度为4.3×10^-6，较相同激发脉冲能量下的单丝诱导荧光检测技术提升了4倍，且具有良好的线性度。该方法有望为污染物检测提供新途径。     

中红外高双折射悬吊芯硫系光纤的优化及制备

高双折射光纤对线偏振光具有强的偏振保持能力,因此,开发中红外高双折射光纤对于高效使用高偏振中红外激光意义重大。本研究团队对具有最大双折射值的一字型悬吊芯结构进行了参数优化,结果表明:当矩形芯的长宽比a/b=3.6时,在波长1.55μm处,双折射能达到4.7×10^-4,高于传统的石英保偏光纤;当空气孔半径r=28μm且两空气孔间距d=5.1μm时,双折射值在波长5μm处高达7.1×10^-3;在工作波长范围内,两极化模的限制损耗均低于10^-3 dB/m量级。通过实验制备了结构最优的一字型硫系悬吊芯光纤,其在波长5μm处的双折射高达4.6×10^-3,接近石英光子晶体光纤的双折射水平。