真空中铝锡合金激光等离子体的时间演化研究

利用时间分辨发射光谱法测量了真空环境中激光Al-Sn合金等离子体时间演化光谱,结合基于流体动力学方程和辐射输运方程的多元素激光等离子体辐射流体动力学模型及程序,模拟了Al-Sn合金等离子体在真空中的膨胀演化,实现了不同电荷态Al、Sn离子在等离子体演化过程中离子密度和等离子体温度的空间分布诊断.结果表明,理论模拟的谱线强度及其时间演化规律与实验结果符合较好,理论重构的不同时间延迟下离子密度和等离子体温度的空间分布图像可以直观地呈现多元素等离子体中不同电荷态离子在等离子体中的演化过程,预期可为多元素情形下的激光等离子体辐射特性及其应用提供帮助.     

激光产生的硅等离子体辐射动力学特性研究

本文从实验和理论两方面系统研究了真空环境中激光产生的硅等离子体的辐射动力学特性.实验上利用时间-空间分辨的激光等离子体发射光谱技术,测量了激光产生的硅等离子体极真空紫外波段的光谱,并对光谱进行了分析指认.为了进一步研究实验光谱的时空演化特性,提出了一种简化的基于流体动力学和辐射输运方程的等离子体辐射动力学模型,利用该模型研究了激光产生的等离子体的辐射特性和动力学演化行为,并对实验观测到的时空分辨光谱进行了模拟,详细分析了等离子体的温度、密度和离子布居的时空演化特性.研究结果表明,本文提出的模型能够较好地反映激光等离子体的动力学演化过程以及辐射光谱的特征,可以作为一种有效的激光等离子体诊断工具.     

高电荷态锡离子极真空紫外波段自吸收光谱轮廓的细致分析

等离子体动力学模拟是一种非常有效的等离子体状态诊断和光谱分析方法,已被广泛应用于激光等离子体光谱的解释和演化分析中.本文基于流体动力学方程和辐射输运方程,并结合稳态的碰撞辐射模型,提出了一种简化的能够分析模拟中高Z元素高电荷态离子极真空紫外(Extreme Ultraviolet,EUV)波段光谱的辐射流体动力学模型,并成功应用于激光产生的锡等离子体EUV光谱的分析和模拟.结果表明,理论模拟光谱与激光功率密度为1.90×10~(11)?W/cm~2的实验光谱之间具有良好的一致性.通过比较Sn~(7+)–Sn~(11+)离子的4d-4f,4p-4d和4d-5p,5f跃迁阵列的发射轮廓和自吸收轮廓,明确了不透明度效应对发射光谱轮廓的影响,成功解释了13.5?nm附近自吸收带和自吸收峰的成因.相关研究预期能够为极真空紫外辐射在光刻、计量、生物成像等领域的应用研究提供参考.     

背景气体中激光Al等离子体演化的干涉诊断研究

利用自主搭建的马赫-曾德尔激光干涉诊断系统研究了空气压强在1 atm和0.1 atm以及氩气在1 atm下纳秒脉冲激光烧蚀产生Al等离子体的冲击波膨胀和电子密度演化.从测量的干涉图中提取了等离子体冲击波的膨胀轮廓,诊断了等离子体的电子密度.研究结果表明,在空气背景气压为0.1 atm时,等离子体冲击波轮廓和速度都较大;而压强在1 atm时,氩气环境中等离子体冲击波的膨胀速率和轮廓均较小.空气环境在0.1 atm下,冲击波的横向膨胀速度在50 ns时达到了约3.4 km·s^-1,但随着延迟时间的增加快速衰减,5μs后,3种情况下的冲击波均接近声速.此外,空气环境0.1 atm下等离子体空间区域较大,整体电子密度较低;而氩气环境在1 atm下,等离子体空间区域较小,整体的电子密度较高,在300 ns时核心区域电子密度达到了10¹⁸ cm^-3.结果进一步显示了背景气压对等离子体膨胀约束具有主导作用,而压强相同时,氩气环境对等离子体的约束要强于空气环境.     

基于自然边界条件求解辐射传输方程的方法

基于零内向流边界条件的辐射传输方程是目前被广泛采用的描述有限组织体中光子传播过程的模型.由于生物组织体及其周围介质之间折射率的差异,零内向流边界条件无法准确模拟光子到达边界时的传播过程,从而导致了实际应用中对光学参数的重建存在明显误差.为解决这一问题,建立了考虑边界内反射效应的自然边界条件下的辐射传输方程模型,发展了一...     

高压负脉冲球形靶周围碰撞等离子体鞘层时空演化数值解

本文对使用流体动力学碰撞模型研究球形靶等离子体鞘层时空演化的求解过程进行了详细的讨论,利用迎风差分格式求解流体力学方程,将泊松方程线性化后,利用三对角矩阵“追赶”法对其进行求解,使整个计算过程收敛速度较快,提高了整个方程组的求解速度,得到了与解析结果一致的数值计算结果.     

基于高速摄影术的聚焦Nd：YAG脉冲激光水下空化效应实验研究

采用高速摄影术准确记录聚焦脉冲Nd：YAG激光水下诱导空化泡动态变化进程,同时采用针式水听器探测空泡闭合或等离子体膨胀时辐射的冲击波信号.实验结果表明,当针式水听器端面和聚焦点间距逐渐减小时,相同实验条件下,探测到的声学信号个数增多且信号强度增强.激光脉冲结构、能量、脉宽等激光参数直接决定单个激光脉冲诱导空泡个数、形貌以及等离子体膨胀和空泡闭合时辐射的声学信号特性.实验结果可为短脉冲激光在临床医学上的运用提供理论与实践支持.     

介质阻挡放电中Ar—Hg等离子体辐射的研究

研究了碰撞、辐射、原子和分子的计算模型（ＣＲＡＭ）模型介质阻挡放电中Ａｒ－Ｈｇ等离子体的动态特性。在本模型中，不仅考虑了汞原子内部能级的跃迁，也考虑了准分子的形成过程。从介质阻挡放电等离子体的非平衡特性出发，对等离子体的演化全过程进行了模拟。在发展了一种新的处理电子、离子复合方法的基础上，得到了Ａｒ－Ｈｇ等离子体的演化规律。此外，还研究了汞原子的共振辐射及准分子辐射强度与电源频率和管壁温度的关系。     

中空高斯激光束在抛物预等离子体通道中的聚焦

在考虑相对论、有质动力和预等离子体通道等非线性效应的基础上,研究了抛物预等离子体通道对中空高斯激光束(Hollow Gaussian beams,HGB)传播特性的影响.首先运用WKB方法和傍轴近似,得到了HGB在抛物预等离子体通道中传播时激光焦斑尺寸参量的演化方程.针对激光焦斑尺寸参量的演化方程,一方面用极值理论得到了HGB以周期性聚焦振荡、周期性散焦振荡和恒定焦斑尺寸传播时的初始激光等离子体参数;另一方面,根据具体参数平面,通过四阶Runge-Kutta法数值求解激光焦斑尺寸参量的演化方程,得到了HGB在预等离子体通道中传播的具体演化图像,并研究了等离子体通道参数和HGB阶数对激光自聚焦和传播特性的影响.研究结果表明,当HGB阶数n一定时,HGB的聚焦能力随着通道参数N_c的增加而不断增强,抛物预等离子体通道不仅可以增强普通高斯激光的聚焦能力,也可以有效增强HGB的聚焦能力;当通道参数N_c一定时,随着HGB阶数n的增加,初始辐照强度小的HGB更容易聚焦,而初始辐照强度大的HGB更容易散焦.     

介质阻挡放电中Ar－Hg等离子体辐射的研究

研究了碰撞、辐射、原子和分子的计算模型（ＣＲＡＭ）模拟介质阻挡放电中Ａｒ－Ｈｇ等离子体的动态特性．在本模型中，不仅考虑了汞原子内部能级的跃迁，也考虑了准分子的形成过程．从介质阻挡放电等离子体的非平衡特性出发，对等离子体的演化全过程进行了模拟．在发展了一种新的处理电子、离子复合方法的基础上，得到了Ａｒ－Ｈｇ等离子体的演化规律．此外，还研究了汞原子的共振辐射及其准分子辐射强度与电源频率和管壁温度的关系．其中，汞原子的共振辐射强度反转的结果是与所报道的实验结果相一致的．     

铅等离子体中电子密度随时间演化特性的实验研究

测定了激光诱导铅等离子体中铅原子和离子谱线Ｓｔａｒｋ展宽的时间演化特性以及与缓冲气体压力之间的关系,由此计算得到了等离子体中电子密度的时间演化特性及其与缓冲气体压力之间的关系     

半导体器件流体动力学模型研究

主要讨论了亚微米半导体器件模拟的流体动力学模型方程的建立过程。流体动力学模型由玻尔兹曼传输模型方程的矩推导而来，对玻尔兹曼传输模型采用不同的物理假设和数学近似，可以得到不同形式的流体动力学模型。同时，对各种不同形式的流体动力学模型的相互转换关系进行了系统分析，给出了半导体器件各种输运模型的适用范围等特性，为通用亚微米半导器件模拟软件的模型选择提供了参考依据。     

激光产生的硫等离子体2s—2p光谱及分析模拟

利用双脉冲激光等离子体光谱技术测量了激光作用于高纯度硫靶产生的16~24nm波段的发射光谱,分析发现谱线主要来自Sq+(q=7,8,9,10)离子的2s—2p跃迁.基于稳态碰撞辐射模型和激发态离子数布局满足归一化玻尔兹曼分布的假设,计算了不同离化态硫离子在不同等离子体温度和电子密度下的布居数,在不同电子温度下模拟了等离子体光谱,并通过与实验光谱比较确定了等离子体参数.     

动态光热参数情形下激光牛肌肉组织光热响应模拟

以牛肌肉组织为模拟对象,考虑到其光热光学和热学参数对温度的依赖性,运用有限元方法模拟了激光在牛肌肉组织中的传输以及动态热响应过程.通过数值求解热传输方程,得到牛肌肉组织内部的温度场分布,并与静态光热参数情形下的结果进行了比较.结果表明:若不考虑光学参数以及热学参数随温度变化的影响,将高估牛肌肉的温升;与热学参数相比,动态光学参数更大程度地影响牛肌肉组织的温度响应;在激光辐照的过程中,牛肌肉组织表面附近将会形成一个光学屏障,影响组织表面和内部的光子数分布,该结论通过Monte-Carlo方法模拟组织内部光子数的分布情况得到了验证.     

钨极氮弧焊焊接电弧数值分析

以直流钨极氮弧焊电弧为研究对象,根据磁流体动力学理论构建轴对称两维数学模型,建立模型时考虑阴极的几何形状,在此模型上对氮气保护TIG焊接电弧进行数值分析．数值模拟所得电弧等离子体温度分布规律显示氯气电弧的最高温区出现于近阳极区域,这个结果与试验情况相当吻合,并与相同条件下氩气电弧的温度场进行了比较．在此基础上对电弧压力和电流密度以及等离子速度场进行了模拟分析;同时分析了不同电流和弧长对等离子流速度分布的影响,结果表明等离子体速度值随着电流的增加而增大。随着弧长的增加而减小．     

短脉冲激光在散射性介质中传输的时域有限元分析

从瞬态辐射传输方程出发,利用最小二乘变分原理,发展了基于离散坐标形式辐射传输方程的最小二乘有限元方法,并将其用于模拟短脉冲激光在二维散射性介质中的瞬态传输现象.首先简要介绍了求解瞬态辐射传输方程的最小二乘有限元公式,然后以脉冲激光在生物介质中的应用为背景,考察了脉冲激光入射二维非均匀散射性介质的情况,调查了不同位置处时域信号的演化规律,为短脉冲激光在生物医学领域中的应用研究提供了有价值的参考数据.结果表明:对于局部短脉冲入射条件下的非均匀散射性介质,早期的时域反射信号能够较多地反映出介质光学属性分布信息,而距离入射光源较远的测量位置,由于辐射信号经过了较长时间的衰减,所包含的介质光学属性分布信息较少.     

激光诱导Cu合金等离子体光谱特性实验研究

采用调Q Nd:YAG激光器激发诱导Cu合金的等离子体,系统研究了等离子体光谱强度随时间演化特性,并探究了不同环境气氛对激光诱导等离子体光谱强度的影响.实验结果表明:信噪比最佳的延时选择与分析光谱线激发电位密切相关,而受环境气氛、分析元素的熔点、沸点影响不大;氩气和氦-氩混合气体环境与空气环境相比,激光诱导等离子体光谱强度明显增强.     

激光产生的Si等离子体的光谱分析

利用双脉冲激光等离子体光谱技术测量了激光烧蚀Si靶产生的极真空紫外波段等离子体光谱,通过标定发现,光谱中的分立谱线主要来自于Si 7+-Si 10+离子的2s-2p跃迁.基于稳态碰撞辐射模型和激发态粒子数布居满足归一化玻尔兹曼分布的假设,计算了不同电荷态Si离子的离子丰度随电子温度的变化关系,并给出了不同等离子体参数条件下的理论模拟光谱.通过与实验光谱的比较,确定了等离子体参数.     

强激光脉冲在部分离化等离子体中的自聚焦

采用变分法推导出有限长激光脉冲在部分离化等离子体中的参数演化方程,其中包含群速度色散和自相位调制的影响,通过分析焦斑半径和脉冲宽度满足的耦合方程,详细讨论了等离子体密度对激光脉冲传播特性影响。研究结果表明:在部分离化等离子体中,对于给定强度的激光脉冲,随着等离子体密度增大,自相位调制会进一步增强激光脉冲的自聚焦;当等离子体密度增大时,激光脉冲传播频率由负向啁啾变化转变为正向啁啾频率变化,而且随着传播距离增大,激光脉冲红移减小而蓝移增大。研究结果对有限长激光脉冲电离诱导自注入加速电子的方案具有理论指导意义。     

致密天体等离子体中线性波的传播特性

利用在相对论量子力学框架下建立的磁流体动力学模型,研究了致密天体等离子体中线性波的传播特性,旨在考察相对论效应和量子效应对致密天体等离子体基本物理过程的影响,揭示其相对论量子物理的本质。文章从包含相对论效应和量子效应的磁流体动力学方程和麦克斯韦方程组出发,首先推导出致密天体等离子体的色散方程;然后在无外磁场,外磁场平行于波矢量和垂直于波矢量三种特殊情况下,研究不同模式线性波的色散关系。研究发现相对论效应和量子效应对线性波在致密天体等离子体中传播的色散关系有修正,当选取脉冲星磁层等离子体特征参数做数量级估算时,相对论量子修正项比较显著。