脈沖CO2激光誘導(dǎo)空氣等離子體的光譜診斷.pdf

1、將高功率激光進(jìn)行聚焦后,會引起被照射物質(zhì)擊穿產(chǎn)生高溫高壓等離子體,并伴隨有強(qiáng)烈的沖擊波效應(yīng)和閃光。于是,研究者們開始將激光誘導(dǎo)等離子體的這些特性應(yīng)用到航空航天、核能開發(fā)、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境污染和生物工程等領(lǐng)域。同時,隨著對激光誘導(dǎo)等離子體相關(guān)機(jī)理和特性研究的不斷推進(jìn),激光誘導(dǎo)等離子體的相關(guān)應(yīng)用也必將得到更為深入的發(fā)展。
　　本論文利用脈沖CO2激光器在空氣中聚焦誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體,從理論上和實(shí)驗(yàn)上對激光誘導(dǎo)等離子體的擊穿、膨脹、輻射過程

2、進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究,并分析了激光與等離子體相互作用時的能量沉積過程。
　　本論文首先對脈沖CO2激光誘導(dǎo)空氣等離子體的擊穿和演化過程進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測。由于CO2激光的單光子能量非常小,多光子吸收電離過程對等離子體中的電子增長幾乎沒有貢獻(xiàn),自然環(huán)境中存在的自由電子碰撞雪崩電離是空氣擊穿的主要機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)上,利用ICCD相機(jī)窄門寬序列采樣的方法,探測得到了軸向和徑向空氣等離子體在擊穿過后的膨脹過程。同時,結(jié)合激光支持的球面爆

3、轟波模型,研究了在不同焦距和入射激光能量下空氣等離子體的膨脹過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在較長的焦距和較高的入射激光能量下,等離子體具有更大的體積和更快的膨脹速度;激光支持爆轟波的結(jié)束時間與等離子體吸收面的激光功率密度密切相關(guān),激光功率密度越高,等離子體爆轟波結(jié)束的時間就越晚。另外,結(jié)合測量得到的等離子體波前面積,計算得到了在等離子體波前位置獲得的推力。結(jié)果顯示,采用長焦距擊穿產(chǎn)生的等離子體在波前位置獲得的推力要比短焦距的要大。
　　隨后

4、,對激光誘導(dǎo)擊穿空氣等離子體的發(fā)射光譜進(jìn)行了細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。
　　在理論上,基于局域熱力學(xué)平衡態(tài)下的等離子體發(fā)射光譜理論,并結(jié)合空氣等離子體Saha電離平衡方程,計算了空氣等離子體中的平衡組分和連續(xù)光譜。結(jié)果表明,隨著溫度升高,高電離態(tài)粒子的濃度越來越高,空氣等離子體的電離度也隨之升高;并且單原子結(jié)構(gòu)的粒子占據(jù)了等離子體中的絕對比例,而分子結(jié)構(gòu)的粒子幾乎可以忽略不計;同時,隨著電子溫度和電子密度升高,等離子體的連續(xù)光譜會

5、逐漸增強(qiáng),但是總的看來,軔致輻射占據(jù)了空氣等離子體中連續(xù)光譜的主導(dǎo)位置。
　　另外,基于局域熱力學(xué)平衡態(tài)下的等離子體發(fā)射光譜理論,并在光學(xué)薄的假設(shè)下,建立了空氣等離子體的線狀光譜模型和連續(xù)光譜模型。利用該模型對實(shí)驗(yàn)測得的空氣等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行了擬合,并計算得到了電子溫度和電子密度。
　　在實(shí)驗(yàn)上,為了獲得等離子體在激光脈沖作用時間內(nèi)的演化過程,搭建了一套具有時間和空間分辨的激光誘導(dǎo)空氣等離子體發(fā)射光譜診斷實(shí)驗(yàn)平臺,實(shí)現(xiàn)了軸

6、向和徑向的時空分辨等離子體發(fā)射光譜診斷。利用時間分辨發(fā)射光譜診斷裝置,測量得到了不同激光脈沖能量條件下激光誘導(dǎo)空氣等離子體的發(fā)射光譜特性。結(jié)果表明,在高能量激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的空氣等離子體中,離子線狀光譜能夠維持的時間遠(yuǎn)比低能量激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體短,并且高能量激光產(chǎn)生的等離子體會表現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的連續(xù)光譜強(qiáng)度。
　　軸向和徑向的時空分辨空氣等離子體發(fā)射光譜的診斷由成像光譜儀的狹縫耦合方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),空氣等離子體在軸向上的光強(qiáng)逆著