X射线透射光栅谱仪用于激光等离子体辐射特性的研究 Ⅰ.实验基础

成功地研制了一台用于激光等离子体软X射线(0.5～20nm)辐射特性研究的针孔透射光栅谱仪(PTGS)。文中对PTGS的成像及衍射原理进行了分析,并给出了实验上确定光栅常数和计算真实发射谱的方法。     

脉冲CO2激光诱导空气等离子体的光谱诊断

为了了解激光诱导等离子体的演化过程,得到等离子体的相关参量,采用横向激励大气压CO2激光器在抛物反射面中聚焦击穿空气形成等离子体,利用成像光谱仪和增强型CCD探测器对激光诱导等离子体进行了时间和空间分辨的实验分析,取得了激光诱导空气等离子体的时间演化和空间分辨光谱。分别利用氧原子的线状谱和连续谱的比值及谱线半峰全宽计算得到电子温度达到了4104K,电子密度在1018cm-3量级。结果表明,相比于低能量的激光诱导等离子体的辐射光谱,高能量激光诱导的等离子体则向外辐射出很强的连续光谱,同时,等离子体以激光支持爆轰波的形式快速向外膨胀,由于外围等离子体对激光能量的屏蔽作用,等离子体出现了空间分离的现象。该研究结果对理解等离子体和高能量脉冲激光的相互作用过程是有帮助的。     

激光加热管状靶

利用厚壳层来限制激光等离子体从内壳层壁飞散时,必然发生物质蒸发。如果物质流是在等离子体的材料平衡中确定的,那末,实际上外壳就作为激光辐射的特殊固体靶。在本报导中报导了由相似类型靶辐射的激光等离子体的性能研究的某些结果。     

激光诱导Al等离子体连续辐射研究

分析了Ａｌ等离子体连续辐射特征。根据连续辐射强度的同时分布,简要讨论了激光诱导等离子了体连续辐射的产生机理。我们认为激光诱导等离子体的连续辐射的主要机制提轫致辐射和复合辐射。在激光脉冲作用到靶上的瞬间,轫致辐射占主导地位,在等离子体演化初期,复合辐射和轫致辐射共同产生等离子体连续辐射,在等离子体演化后期,连续辐射主要是轫致辐射产生的。     

基于少周期激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹到中红外超宽带辐射产生

超强少周期激光脉冲与气体等离子体作用可以产生强的宽带太赫兹脉冲辐射。本文以数值计算为主要工具研究了少周期激光脉冲与气体等离子体成丝作用产生的等离子体电流及对应的太赫兹辐射特性。该过程中的等离子体电离处于多光子电离和隧道电离的过渡阶段。结果显示,该机制能够产生从太赫兹到中红外的超宽带辐射,且辐射的电场振幅是少周期激光脉冲载波相位的周期函数。太赫兹脉冲由激光脉冲脉宽和等离子体电离的时间演化确定,而不是由等离子体密度决定。本文为基于少周期激光脉冲与气体等离子体作用产生超宽带太赫兹辐射的实验提供了一定的理论参考。     

新概念激光等离子体通道天线的研究

激光等离子体通道天线是一种具有卓越隐身性能的新概念天线.简单阐述了激光等离子体通道天线的系统实现,建立了等离子体通道天线的分析模型,结合边界条件推导出分析电磁波沿激光等离子体通道传播特性的特征方程和分析电磁波沿激光等离子体通道表面向外辐射特性的天线表面波模式色散方程,从而计算了激光等离子体通道天线的传播特性曲线和辐射方...     

缓慢上升快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹辐射产生研究

飞秒激光脉冲与气体等离子体作用可以产生宽带、强的太赫兹脉冲辐射。采用一种缓慢上升、快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用产生太赫兹辐射,并基于等离子体电流模型计算了这种太赫兹辐射的特性。由于这种特殊整形的激光脉冲能够对电子的加速产生较大的速度,从而可以产生较大的等离子体电流和较强的太赫兹辐射。计算结果显示:尽管这种特殊整形的飞秒激光脉冲能量有所损失,它能够比普通双色飞秒激光脉冲产生更强、更宽的太赫兹脉冲辐射。该项研究为基于激光等离子体作用的太赫兹辐射源提供了新的思路。     

不同角度激光打靶条件下等离子体X光辐射源的形状

通过分析激光在不同功率密度、不同入射角度打靶条件下的等离子X射线辐射。本文给出了各种元素等离子体喷射图形以及辐射特点。利用激光与物质相互作用原理,对实验结果作了分析。     

激光等离子体的辐射与自吸收现象研究

脉冲强激光辐照固体靶材时,会讯速地在靶材表面形成一个高高压的等离子体区哉。该等离子体区域在吸收入射激光的同时,会发出很强的紫外以至ｘ光辐射,它们与靶材有着更强的耦合。本文给出了等离子体中辐射传输的微分方程,并通过对等离子体中辐射和自吸收现象进行讨论,给出了在考虑再辐射效应时,等离子体辐射能流与等离子体参数及激光参数的关系。     

Compton散射下强激光等离子体的辐射阻尼效应

为了研究Compton散射对强激光等离子体中辐射阻尼效应的影响,采用多光子非线性Compton散射模型、相对论理论和洛伦兹变换方法,对Compton散射对不同极化激光在等离子体中产生辐射阻尼效应的影响进行了理论分析和数值计算。提出了将Compton散射光作为等离子体产生辐射阻尼效应的新机制,给出了辐射阻尼满足的修正方程。结果表明,Compton散射使等离子体辐射阻尼效应对电子运动产生重要作用的几率增大,这主要是由于产生这种作用所需的入射激光强度降低,从而使电子频率增大、电场耦合频率增大的缘故。多光子非线性Compton散射光是产生和提高等离子体辐射阻尼效应的一个重要机制。     

预制孔穴对激光诱导等离子体辐射的增强作用

通过在样品表面上预制孔穴的方法,研究了激光诱导等离子体辐射的增强效应.实验过程中,采用高能量钕玻璃脉冲激光器(1064nm,6J,0.7ms)烧蚀土壤样品.在预制小孔参数分别为0.8mm、1.0mm、1.2mm直径和0.8mm、1.0mm、1.2mm深度的条件下,测量了激光诱导等离子体的光谱强度和信背比.实验结果表明,利用小孔对激光等离子体的约束作用,明显地增强了等离子体的辐射强度.实验确定的优化条件是,预制0.8mm直径和1.0mm深度孔穴,采集第二个脉冲激发的等离子体辐射,可以获得较高质量的激光光谱.     

激光诱导Al等离子体中Al原子能量吸收

分析了Ａｌ等离子体连续辐射特征。根据连续辐射强度的时间分布,简要讨论了激光诱导等离子体连续辐射的产生机理。根据连续辐射强度的波长分布,提出了原了对激光诱导等离子体连续辐射共振吸收理论。我们认为：Ａｌ原子吸收能量的主要机制是原子实吸收连续辐射光子,原子实吸收光子的方式是与价电子构成极性振子对连续辐射共振吸收。     

超快激光微加工表面瞬态温度的黑体辐射法测量

采用单脉冲飞秒激光辐照单晶硅片和铜板，在材料表面产生烧蚀，并激发黑体辐射光谱。利用ICCD在纳秒尺度对激光诱导等离子体的辐射光谱进行测量，使用最小二乘法将采集光谱与普朗克曲线进行拟合，并用有限差分热扩散模型对温度变化曲线进行拟合，证明了黑体辐射法测量飞秒激光加工材料表面激光诱导等离子体温度的有效性。采用单脉冲激光（中心波长1030 nm，脉宽184 fs,1 mJ单脉冲能量）分别加工单晶硅片和铜板表面，测量了纳秒尺度时间分辨的激光诱导等离子体温度。对于单晶硅片和铜板，测量到以零时刻为中心的平均温度分别为231000 K和226000 K，衰减弛豫时间分别为4.41 ns和2.97 ns。     

激光诱导等离子体辐射特性的研究综述

激光诱导等离子体作为一种宽光谱辐射源,能够产生X射线、紫外、可见、红外、太赫兹以及微波波段的辐射,可应用于天体物理、惯性约束核聚变、生物医学、材料科学、光谱分析、环境工程、信息技术、超快技术、光刻技术、成像技术、雷达技术、半导体技术等众多领域,具有较高的实用价值。迄今为止,有关激光诱导等离子体辐射特性的文献报道大多集中于描述激光与物质在单一波段的相互作用,对辐射的产生机理还未完全掌握,对完整光谱的研究综述依然比较缺乏。从电磁辐射光谱及其辐射机制的角度,对激光诱导等离子体的辐射特性做出了系统的梳理分类,对国内外相关团队的研究成果进行了总结和分析,特别从不同视角探究了等离子体与光谱辐射之间的物理关系。介绍了激光诱导等离子体各个波段的辐射特点,并讨论了影响辐射的相关因素。最后,对红外波段和太赫兹波段的研究前景进行了展望。     

样品温度对激光诱导等离子体辐射强度的影响

增强激光诱导等离子体的发射光谱强度,对于精确测量微弱光谱信号,改进待测材料中低含量元素的探测灵敏度意义重要。首先对金属样品加热升温,并且在一定温度时利用波长为1 064 nm的Nd:YAG纳秒脉冲激光烧蚀样品,激发产生等离子体,测量了不同样品温度条件下等离子体的发射光谱强度和信噪比。结果表明,采用的激光能量为200 mJ时,随着样品温度的升高,等离子体辐射会逐渐增强,并且在温度为150 ℃时达到最大。计算表明,样品中分析元素Mo、Cr、Ni和Mn在温度为150 ℃时的光谱线强度比室温条件下的分别提高了54.56%,72.43%,70.29%和54.01%,光谱信噪比分别增大了37.44%,40.74%,38.6%和37.06%。实验还通过观察等离子体的照片,测量等离子体的温度、电子密度和样品蒸发量,讨论了激光诱导金属等离子体辐射增强的原因。可见,升高样品温度是改善激光等离子体光谱质量的一种有效手段。     

纳秒/皮秒双束激光联合驱动双层靶的γ辐射特性

基于神光Ⅱ升级装置,研究了纳秒/皮秒双束激光联合驱动双层靶的伽马(γ)辐射特征。利用ns束激光与CH薄膜靶相互作用,产生大尺度近临界密度等离子体,然后将ps束激光作用在该等离子体上,产生高能电子,高能电子穿过2 mm厚的Au靶,通过轫致辐射产生γ射线。对不同方向的γ辐射能谱和靶室外的γ辐射剂量分布进行实验测量,发现γ辐射集中在激光前冲方向,具有较小的发散角,而且在该方向上高能段的γ辐射较强。这说明双层靶的设计可以提高ps束激光与等离子体的能量耦合效率,提高高能电子温度,增加高能电子数目,有利于高能段γ辐射在ps束激光的前冲方向集中。另外,在靶室外距离靶点1.25 m处测到的50 keV以上γ辐射的单发次最大剂量为277 μGy。本研究结果对γ辐射的防护和应用具有参考价值。     

金、铝激光等离子体辐射成分及空间分布

利用x光针孔相机和晶体谱仪,我们从二维空间测量和分析了金、铝激光等离子体x射线源的空间结构及辐射成分。     

CO2激光加热的磁约束等离子体中的汤姆逊散射

用激光散射作为诊断技术，已测得了CO2激光辐射和θ箍缩等离子体的相互作用。等离子体用横向激励大气压CO2针状电极激光器轴向加热。散射测定显示出CO2激光“尖峰”加热过程中以及加热后，激光加热的等离子体的随时间的变化。等离子体条件改变时所需的能量与由反韧致辐射机理算出的理论吸收值很一致。     

激光诱导Al等离子体的时间分辨光谱

用YAG脉冲1.06μm激光,在高真空轰下击A1靶,观测到AlⅠ,AlⅡ和AlⅢ等离子体的若干谱线.利用快速脉冲发生器和光学多道分析仪(OMA),对激光脉冲和等离子体谱线的时间分辨特性进行了比较和测量.在激光脉冲作用期间均会产生连续的辐射谱.在激光能量较小时,等离子体谱线峰值在激光脉冲峰值后延迟一定时间出现,而在激光能量较大时,谱线峰值在激光脉冲期间产生.     

激光诱导Al等离子体中电子密度的实验研究

用Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06μm激光,在低压环境下烧蚀金属Al靶获得等离子体,并观测其空间分辨发射光谱;利用AlⅠ的两条发射谱线的Stark展宽计算了Al等离子体电子密度,研究了电子密度随空间的演化规律。结果发现:在靶面附近电子密度达到最大值,随着离靶面距离的增加,电子密度逐渐减小,从微观物理机制的分析推断:激光诱导等离子体的复合辐射是电子密度减少的主要原因。另外,还探讨了激光能量的变化对等离子体电子密度的影响。