窄线宽激光诱导荧光诊断及宽带平面激光诱导荧光二维成像
发布时间：2020-08-14 16:46
【摘要】：激光诱导荧光(LIF)诊断技术作为非侵入式、高选择、高灵敏的主动光谱诊断手段,在各类等离子装置中已得到较为广泛的应用。与灯丝源、射频源不同,线性磁化等离子体装置(LMP)现采用氧化物阴极等离子体源,有较强的电子发射能力,可在弱磁场下产生较高密度的等离子体,具有较高的电离率,且均匀稳定、参数调控范围较大,是进行磁场重联及其它等离子体物理相关研究的理想实验载体。在LMP装置上搭建LIF诊断系统可对等离子体密度、离子温度等参量进行测量,配合基础的探针诊断可开展氧化物阴极放电模式下的相关物理研究。本文创造性地利用一套脉冲染料激光系统,通过自制FPI实现对染料激光器输出线宽的压缩及波长的扫描,同时满足LIF诊断窄带激光泵浦与PLIF成像宽带激光泵浦的需求,在LMP装置上搭建了 LIF诊断与PLIF成像系统。而脉冲激光功率强,时间分辨能力上佳,荧光强度相对较强,无需配置弱信号检测工具,可将荧光信号放大后直接采集,为实验带来了极大的便利。首先,作者通过充分的调研工作,分析了国内外LIF诊断研究成果,详细讨论了 LIF诊断中多种展宽机制对吸收谱线的影响。此后,建立了碘吸收谱测量系统,实现了 LIF诊断过程中的泵浦激光波长的实时在线标定,并在LMP装置上完成了 LIF诊断的软硬件建设。其次,在氧化物阴极产生的Ar等离子体中,进行了多维的LIF诊断,测量离子速度分布函数,得到离子温度0.2eV,与理论估计和同类装置实验结果一致。同时,根据观测到的离子宏观流速及极向旋转速度对离子速度分布函数造成的漂移,实现了对离子宏观流速的测量及极向旋转速度的估计。最后,通过研究本底荧光强度与中性气压、放电电压、轴向磁场等外部调控参数的依赖关系,分析出在放电持续过程的不同阶段,亚稳态离子的来源不同,与之前文献结论不同。氧化物阴极放电过程的认知被加深,有利于对LIF诊断中荧光强度的优化调节,同时为PLIF诊断做好了完善的准备。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;O53
【图文】：
逦第一章激光诱导荧光诊断技术简介逦逡逑１９７５年，Ｒ．Ｓｔｅｍ和ＪＪｏｈｎｓｏｎ在Ｂｅｌｌ实验室使用了氩离子激光器来测量气体逡逑放电管中氩等离子体的离子速度分布函数和局域密度等且“Ｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ逡逑ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ”邋一词是在该文中首次出现。但由于激光器的线宽大于Ａｒ离子的多逡逑普勒展宽，对离子温度的诊断，还必须要用精密的光谱仪来测量荧光的光谱展宽。逡逑荧光强度和空间分辨率之间必然存在的平衡问题并未得到解决。逡逑激光诱导荧光诊断逐渐成熟，同时出现了高能量、单纵模输出的可调谐染料逡逑激光器，可被用于测量离子流速、离子温度、磁场及等离子体密度的参数［４１。而逡逑根据实验目的的不同，诊断方式也存在一定差异，相继发展出了测量离子速度分逡逑布函数的诊断方法一一激光诱导荧光散射（ＬＩＦ），以及测量离子密度分布的平面逡逑激光诱导荧光散射（ＰＬＩＦ）及双光子吸收激光诱导荧光（ＴＡＬＩＦ）邋［５］。逡逑ｐ邋ｐ邋Ｆ邋Ｑ邋ｐ邋ＤＰ邋Ｐ邋Ｆ逡逑
１９９８年在ＵＣ．Ｉｒｖｉｎｅ的Ｉｒｖｉｎｅ邋Ｔｏｒｕｓ装置的Ａｒ等离子体中，Ｍｃｗｉｌｌｉａｍｓ小组未逡逑选择更常用的Ａｒ离子的６１１ｎｍ谱线，采用６６８ｎｍ谱线，第一次应用半导体激光逡逑器来作为泵浦激光源，进行ＬＩＦ诊断实验［７］，如图１．１。此外，他们还具有类似逡逑于层析成像技术的诊断，通过旋转入射激光束的方向，得到不同入射方向上速度逡逑空间分布函数的投影分量，然后重建多维速度空间分布函数［Ｍ］，并完成了发散磁逡逑场中的离子锥形成和离子横场加速的相关测量Ｕ（Ｈ１１。逡逑而在１９８２年，平面激光诱导荧光成像技术在３个不同的小组开展了应用，逡逑分别是ＳＲＩ国际分子实验室的Ｍａｒｋ邋Ｊ．邋Ｄｙｅｒ等人：』，Ｌｕｎｄ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑的邋Ｍ．邋Ａｌｄ６ｎ，Ｈ．邋Ｅｄｎｅｒ邋等人一和邋Ｓｔａｎｆｏｒｄ邋大学的邋Ｒｏｎａｌｄ邋Ｋ．邋Ｈａｎｓｏｎ邋等人邋ｌｌ：，主要逡逑的研宄对象是火焰等离子体。此后，他们还^u展了蒸发气体成像，燃烧燃料成像，逡逑气体温度成像，速度成像，混合的速度／气压成像等研究。在１９８６年，ＲｏｎａｌｄＫ．逡逑Ｈａｎｓｏｎ等人彻底完成了邋ＰＬＩＦ成像技术［１：＼构成了现在最常用的ＰＬＩＦ实验方法
在等离子体物理研宄方面，可测量原子／分子浓度、能级布居数、粒子速度分布逡逑函数等参数及其演化过程，对等离子体物理过程的研究起着重要的作用。逡逑如图１．３，用三能级系统作为例子，激光诱导荧光诊断的原理可简单理解为：逡逑以光子能量与特定能级跃迁能量相同的单频激光入射，被探测的局域体积元内的逡逑亚稳态离子受激光泵浦至激发态。而激发态寿命极短（通常为几纳秒），立刻退逡逑激发到基态，同时释放荧光辐射。由于离子并非绝对静止的，激光诱导激发荧光逡逑的过程有多普勒效应的存在。在沿激光传播方向上，激光频率有较高的速度选择逡逑性。单频激光（叫ａｓｅ￣逦入射，在激光束方向上仅当离子速度与激光逡逑频率满足叫ａｓｅｒ＿邋－邋＆ａｓｅ＾逦条件时，离子方可该跃迁能级被泵浦到对应激逡逑发态，其中0＞0代表能级跃迁能量对应的光子频率。入射的激光进行频率调谐扫描，逡逑可以等效的认为在离子的速度空间中对激光入射方向上的离子速度分量进行扫逡逑描、而测量扫描过程中的对应荧光强度的变化
本文编号：2793286
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;O53
【图文】：
逦第一章激光诱导荧光诊断技术简介逦逡逑１９７５年，Ｒ．Ｓｔｅｍ和ＪＪｏｈｎｓｏｎ在Ｂｅｌｌ实验室使用了氩离子激光器来测量气体逡逑放电管中氩等离子体的离子速度分布函数和局域密度等且“Ｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ逡逑ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ”邋一词是在该文中首次出现。但由于激光器的线宽大于Ａｒ离子的多逡逑普勒展宽，对离子温度的诊断，还必须要用精密的光谱仪来测量荧光的光谱展宽。逡逑荧光强度和空间分辨率之间必然存在的平衡问题并未得到解决。逡逑激光诱导荧光诊断逐渐成熟，同时出现了高能量、单纵模输出的可调谐染料逡逑激光器，可被用于测量离子流速、离子温度、磁场及等离子体密度的参数［４１。而逡逑根据实验目的的不同，诊断方式也存在一定差异，相继发展出了测量离子速度分逡逑布函数的诊断方法一一激光诱导荧光散射（ＬＩＦ），以及测量离子密度分布的平面逡逑激光诱导荧光散射（ＰＬＩＦ）及双光子吸收激光诱导荧光（ＴＡＬＩＦ）邋［５］。逡逑ｐ邋ｐ邋Ｆ邋Ｑ邋ｐ邋ＤＰ邋Ｐ邋Ｆ逡逑
１９９８年在ＵＣ．Ｉｒｖｉｎｅ的Ｉｒｖｉｎｅ邋Ｔｏｒｕｓ装置的Ａｒ等离子体中，Ｍｃｗｉｌｌｉａｍｓ小组未逡逑选择更常用的Ａｒ离子的６１１ｎｍ谱线，采用６６８ｎｍ谱线，第一次应用半导体激光逡逑器来作为泵浦激光源，进行ＬＩＦ诊断实验［７］，如图１．１。此外，他们还具有类似逡逑于层析成像技术的诊断，通过旋转入射激光束的方向，得到不同入射方向上速度逡逑空间分布函数的投影分量，然后重建多维速度空间分布函数［Ｍ］，并完成了发散磁逡逑场中的离子锥形成和离子横场加速的相关测量Ｕ（Ｈ１１。逡逑而在１９８２年，平面激光诱导荧光成像技术在３个不同的小组开展了应用，逡逑分别是ＳＲＩ国际分子实验室的Ｍａｒｋ邋Ｊ．邋Ｄｙｅｒ等人：』，Ｌｕｎｄ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑的邋Ｍ．邋Ａｌｄ６ｎ，Ｈ．邋Ｅｄｎｅｒ邋等人一和邋Ｓｔａｎｆｏｒｄ邋大学的邋Ｒｏｎａｌｄ邋Ｋ．邋Ｈａｎｓｏｎ邋等人邋ｌｌ：，主要逡逑的研宄对象是火焰等离子体。此后，他们还^u展了蒸发气体成像，燃烧燃料成像，逡逑气体温度成像，速度成像，混合的速度／气压成像等研究。在１９８６年，ＲｏｎａｌｄＫ．逡逑Ｈａｎｓｏｎ等人彻底完成了邋ＰＬＩＦ成像技术［１：＼构成了现在最常用的ＰＬＩＦ实验方法
在等离子体物理研宄方面，可测量原子／分子浓度、能级布居数、粒子速度分布逡逑函数等参数及其演化过程，对等离子体物理过程的研究起着重要的作用。逡逑如图１．３，用三能级系统作为例子，激光诱导荧光诊断的原理可简单理解为：逡逑以光子能量与特定能级跃迁能量相同的单频激光入射，被探测的局域体积元内的逡逑亚稳态离子受激光泵浦至激发态。而激发态寿命极短（通常为几纳秒），立刻退逡逑激发到基态，同时释放荧光辐射。由于离子并非绝对静止的，激光诱导激发荧光逡逑的过程有多普勒效应的存在。在沿激光传播方向上，激光频率有较高的速度选择逡逑性。单频激光（叫ａｓｅ￣逦入射，在激光束方向上仅当离子速度与激光逡逑频率满足叫ａｓｅｒ＿邋－邋＆ａｓｅ＾逦条件时，离子方可该跃迁能级被泵浦到对应激逡逑发态，其中0＞0代表能级跃迁能量对应的光子频率。入射的激光进行频率调谐扫描，逡逑可以等效的认为在离子的速度空间中对激光入射方向上的离子速度分量进行扫逡逑描、而测量扫描过程中的对应荧光强度的变化
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 陈光华;李泽仁;刘俊;刘寿先;彭其先;袁树云;阳庆国;;具有速度谱分辨能力的角色散FP干涉测量技术[J];高压物理学报;2012年04期
2 严光耀;林远齐;秦莉娟;程兆璋;潘佐棣;;氮激光泵浦染料激光器输出线宽的测量[J];上海师范大学学报(自然科学版);1980年01期
本文编号：2793286
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