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光谱学与光谱分析 2023年第2期43卷 401-404页

作者：李国华张振荣叶景峰王晟方波浪邵珺胡志云西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室陕西西安710024 上海交通大学四川研究院四川成都610213

燃烧流场浓度、温度空间分布的精细测量对发动机燃烧室设计、计算流体动力学模型建立以及数值仿真软件的验证具有重要意义,其中平面激光诱导荧光(PLIF)技术具有对象选择性、高测量灵敏度、测量信息量丰富、实验开展简单等优势,尤其是OH-... 详细信息

燃烧流场浓度、温度空间分布的精细测量对发动机燃烧室设计、计算流体动力学模型建立以及数值仿真软件的验证具有重要意义,其中平面激光诱导荧光(PLIF)技术具有对象选择性、高测量灵敏度、测量信息量丰富、实验开展简单等优势,尤其是OH-PLIF浓度及温度测量技术以其理论成熟性及技术方便性得到更为广泛的应用。但该技术在煤油燃烧场的应用受到较大限制,原因在于煤油燃烧场残余煤油对OH荧光信号造成较大干扰。针对OH荧光分布测量时煤油干扰问题,开展了OH及煤油吸收谱及荧光发射谱理论及实验对比分析。其中煤油蒸汽吸收谱由氘卤灯通过煤油蒸汽前后的光强强度比获得,相比于OH在260~320 nm波段的孤立吸收线,煤油吸收为宽带吸收,煤油吸收线完全覆盖OH激励线,在煤油燃烧场在此波段对OH激励测量时,激励煤油产生荧光不可避免。另一方面,通过调节激励波长,测量获得OH/煤油混合荧光与煤油荧光发射谱。煤油蒸汽荧光发射谱为中心分别位于290及340 nm的宽带信号,OH荧光主要集中于波长300~320 nm,煤油荧光发射谱范围覆盖OH荧光,结合吸收谱测量结果,说明在煤油燃烧场燃烧不充分时,在280 nm波段激励测量OH无法通过频域滤波的方式测量获得纯OH荧光信号。通过对煤油信号的测量并扣除实现OH荧光信号的准确测量,主要从选择性探测方面入手,在OH荧光测量系统基础上增加一台探测相机,采用两台ICCD相机,分别结合(315±15)和(360±6)nm的带通滤光片进行OH/煤油混合荧光和煤油荧光的选择性探测,通过对应点扣除的方式,在煤油本生灯及发动机模型煤油燃烧混合荧光信号中去除煤油荧光获得了受干扰较小的OH分布结果,证实了干扰消除方法的可行性,为后续煤油燃烧场浓度及温度分布测量奠定了基础。

关键词： OH-PLIF 煤油荧光 OH分布煤油分布

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激光辐照下预加载CFRC层合板断裂行为实验研究

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强激光与粒子束 2022年第1期34卷 143-148页

作者：韩永超韦成华张冉王家伟吕玉伟西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室西安710024

针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料(CFRC)层合板失效时间的预测需求,实验研究了不同激光功率密度(70~210 W/cm^(2))、不同预应力水平(拉伸强度的50%和70%)、不同光斑尺寸(拉伸试件宽度的70%和100%)下2 mm厚层合... 详细信息

针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料(CFRC)层合板失效时间的预测需求,实验研究了不同激光功率密度(70~210 W/cm^(2))、不同预应力水平(拉伸强度的50%和70%)、不同光斑尺寸(拉伸试件宽度的70%和100%)下2 mm厚层合板的失效机理,获取了不同影响因素对断裂时间的影响规律。结果表明:预加载层合板失效机制为迎光面环氧树脂基底材料热解、纤维氧化断裂,背光面剩余结构偏脆性断裂;在预应力一定条件下,试件断裂时间与辐照激光功率密度成指数规律;预应力水平对断裂时间影响显著。

关键词：激光辐照预加载 CFRC层合板断裂

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基于羟基标记的速度、温度同时测量技术

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光学学报 2023年第17期43卷 46-54页

作者：叶景峰李国华邵珺张振荣王晟胡志云陶蒙蒙西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室陕西西安710028 上海交通大学四川研究院四川成都610200

基于羟基标记示踪速度测量技术,研究了基于该技术中激光光解水产生的OH-进行温度测量的双色平面激光诱导荧光(PLIF)方法和荧光强度测温方法,进而开发了一种新的速度、温度同时测量技术,并在电加热流场及超燃冲压发动机流场进行了测量验... 详细信息

基于羟基标记示踪速度测量技术,研究了基于该技术中激光光解水产生的OH-进行温度测量的双色平面激光诱导荧光(PLIF)方法和荧光强度测温方法,进而开发了一种新的速度、温度同时测量技术,并在电加热流场及超燃冲压发动机流场进行了测量验证。在室温至900 K的温度范围内,与热电偶温度测量结果比,基于光解OH-的双色PLIF温度测量的平均标准偏差为12.1 K,基于光解OH-荧光强度的温度测量最大偏差为16.8 K,速度测量不确定度在1%以内。在超燃冲压发动机流场中,利用CARS温度测量数据作为温度测量标定点,获得了标记线上温度、速度的同时测量结果,其中所得温度与CARS温度测量结果的最大偏差为44 K。

关键词：测量速度温度同时测量羟基示踪光解离激光诊断

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基于羟基分子标记的速度温度同时测量技术

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光学学报 2023年

作者：叶景峰李国华邵珺张振荣王晟胡志云陶蒙蒙西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室上海交通大学四川研究院

速度和温度的同时测量在揭示流动与燃烧之间的相互耦合机理具有重要意义，基于羟基标记示踪速度测量技术，研究了基于该技术中激光光解水产生的OH进行温度测量的双色PLIF方法和荧光强度测温方法，进而开发了一种新的速度温度同时测量技... 详细信息

速度和温度的同时测量在揭示流动与燃烧之间的相互耦合机理具有重要意义，基于羟基标记示踪速度测量技术，研究了基于该技术中激光光解水产生的OH进行温度测量的双色PLIF方法和荧光强度测温方法，进而开发了一种新的速度温度同时测量技术，并在电加热流场及超燃冲压发动机流场进行了测量验证。在室温至900K温度范围，与热电偶温度测量结果比，基于光解OH的双色PLIF温度测量平均标准偏差12.1K，基于光解OH荧光强度的温度测量最大偏差为16.8K，速度测量不确定度在1%以内。在超燃冲压发动机流场中，利用CARS温度测量数据作为温度测量标定点，获得了标记线上温度速度的同时测量结果，温度测量结果与CARS温度测量结果最大偏差44K。

关键词：速度温度测量羟基示踪光解离激光诊断

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基于宽带可调谐、窄线宽掺铥光纤激光器的2μm波段水的超光谱吸收测量

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物理学报 2022年第11期71卷 178-185页

作者：陶蒙蒙王亚民吴昊龙李国华王晟陶波叶景峰冯国斌叶锡生陈卫标中国科学院上海光学与精密机械研究所王之江激光创新中心上海201800 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室西安710024

1.8—2.0μm波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于传统的1.3—1.5μm波段,在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力.超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演,与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸... 详细信息

1.8—2.0μm波段包含大量水的吸收谱线,且吸收强度高于传统的1.3—1.5μm波段,在水的吸收光谱测量中具有很大的应用潜力.超光谱吸收测量技术可以利用宽带范围内的大量吸收谱线来实现物理参数的反演,与传统的单/双谱线的可调谐二极管吸收光谱技术相比具有更好的稳定性、准确性和更宽的使用范围.宽带调谐的窄线宽激光光源是实现超光谱吸收测量的关键器件.利用可调谐法布里-珀罗(FP)腔和光纤可饱和吸收体,搭建了宽带调谐的窄线宽2μm光纤激光器.利用掺铥光纤的再吸收特性,通过合理设计增益光纤长度,得到了在1910—1970 nm约60 nm的光谱范围内连续可调的激光输出,且激光器静态线宽小于0.1 nm,能够满足水的超光谱吸收测量实验的要求.利用该激光器分别对空气和酒精火焰中水在2μm波段的宽带吸收光谱进行了测量.在常温空气中,该光源可以在1910—1965 nm的光谱范围内有效分辨40余条水的吸收谱线;在酒精火焰中,该光源可以在1950—1970 nm的光谱范围内有效分辨近50条水的吸收谱线.通过与HITRAN2016数据库的比对反演得到激光器在动态扫描过程中的线宽约为0.06 nm,与静态测试结果相近;反演得到的空气温度约为298 K,空气中水的摩尔分数约为2%,与温湿度计测量结果一致;反演得到的酒精火焰温度约为1220 K,与热电偶测量结果较为接近.

关键词：超光谱吸收可调谐二极管激光吸收光谱光纤可饱和吸收体掺铥光纤激光器

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玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减的数值模拟

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红外与激光工程 2021年第12期50卷 269-275页

作者：刘卫平吕玉伟吴丽雄韦成华王家伟韩永超张爽西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室陕西西安710024

当激光辐照玻璃钢烧蚀碳化至一定程度时,产生的树脂碳产物对微波传输产生衰减作用。针对该现象,开展了数值建模研究,将激光辐照-微波传输衰减效应分解为激光辐照、材料热响应、提取模型表征量、微波传输衰减分析等过程。通过玻璃钢材料... 详细信息

当激光辐照玻璃钢烧蚀碳化至一定程度时,产生的树脂碳产物对微波传输产生衰减作用。针对该现象,开展了数值建模研究,将激光辐照-微波传输衰减效应分解为激光辐照、材料热响应、提取模型表征量、微波传输衰减分析等过程。通过玻璃钢材料的激光耦合特性和表面温度测试,对建立的玻璃钢层合板激光辐照温度场计算模型进行了验证;通过材料体温度分布的时间演进分析,提取了网格单元温度超过阈值温度的持续时间加权和S_(t,Tc)、网格单元温度超过阈值温度的持续时间与温度乘积的加权和S_(Tt,Tc)两个模型表征量,采用单个实验数据标定系数、整体数据点匹配分析方法,对微波传输衰减实验与数值模拟结果进行了分析。分析结果表明,S_(t,Tc)比S_(Tt,Tc)更适于表征玻璃钢烧蚀碳化致微波传输衰减效应,温度阈值为873℃时计算结果与实验结果最匹配,其R^(2)为0.9956。这说明,通过计算激光辐照玻璃钢温度响应并提取微波传输衰减效应表征量S_(t,Tc),可实现对玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减效应的模拟和预测。

关键词：玻璃钢碳化微波传输衰减数值模拟

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激光吸收涂层性能研究

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中国光学 2021年第3期14卷 560-565页

作者：张磊谢贤忱吴勇王平武俊杰西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室陕西西安710024

为了开展激光吸收涂层性能研究,建立了激光加载吸收涂层样品模型,根据材料物性参数模拟了激光能量耦合过程,分析了不同参数激光加载条件下的温升情况。对铜基底表面碳氮化硅涂层开展了反射特性研究,并通过激光辐照实验,开展了涂层样品... 详细信息

为了开展激光吸收涂层性能研究,建立了激光加载吸收涂层样品模型,根据材料物性参数模拟了激光能量耦合过程,分析了不同参数激光加载条件下的温升情况。对铜基底表面碳氮化硅涂层开展了反射特性研究,并通过激光辐照实验,开展了涂层样品的抗激光损伤技术研究,得到了强激光辐照下涂层的温度阈值。本文的研究内容为激光能量测量装置涂层选材及参数设计提供了技术支持。

关键词：吸收涂层激光辐照反射特性抗激光损伤能量测量

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基于碳纳米管泡沫的高效宽谱极紫外辐射

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光学学报 2022年第11期42卷 249-255页

作者：寿寅任潘卓曹正轩王大辉王鹏杰刘建波梅竹松孔德锋赵研英颜学庆马文君北京大学核物理与核技术国家重点实验室北京100871 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室陕西西安710024 北京激光加速创新中心北京101407 北京大学应用物理与技术研究中心北京100871

飞秒激光作用于等离子体可以产生短脉宽、高亮度的极紫外(EUV)辐射,在高分辨率成像、时间分辨谱学等方面都有潜在的应用。为进一步提高辐射亮度,利用相对论飞秒激光与碳纳米管泡沫(CNF)靶相互作用实现了高转换效率的EUV辐射。实验结果表... 详细信息

飞秒激光作用于等离子体可以产生短脉宽、高亮度的极紫外(EUV)辐射,在高分辨率成像、时间分辨谱学等方面都有潜在的应用。为进一步提高辐射亮度,利用相对论飞秒激光与碳纳米管泡沫(CNF)靶相互作用实现了高转换效率的EUV辐射。实验结果表明,当激光能量为1.2 J,CNF密度为4 mg/cm^(3)时,单发产生的EUV辐射光谱强度在0.1 mJ·nm^(-1)·sr^(-1)量级。相比高密度固体靶,采用低密度CNF靶可以有效地提高激光吸收率,进而实现两个量级的EUV辐射效率增益。同时发现,基于CNF的EUV辐射在15~30 nm波长范围内具有准连续的宽谱特征,适合于超快吸收光谱等应用。

关键词： X射线光学极紫外辐射飞秒激光碳纳米管泡沫宽谱辐射

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可调空间分辨USEDCARS技术研究

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光谱学与光谱分析 2021年第1期41卷 1-4页

作者：张振荣李国华胡志云王晟叶景峰陶波邵珺方波浪西北核技术研究院激光与物质相互作用国家重点实验室陕西西安710024

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术是一种非常重要的燃烧诊断技术,该技术具有非常强的抗干扰能力和非常高的测量精度。但空间分辨力不足会使CARS技术产生很强的空间平均效应,引起成CARS光谱畸变,进而造成CARS光谱分析困难,无法通过CARS... 详细信息

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术是一种非常重要的燃烧诊断技术,该技术具有非常强的抗干扰能力和非常高的测量精度。但空间分辨力不足会使CARS技术产生很强的空间平均效应,引起成CARS光谱畸变,进而造成CARS光谱分析困难,无法通过CARS光谱反演燃烧场参数。针对非稳腔空间增强探测CARS(USEDCARS)技术存在的空间分辨不足以及空间分辨力不易改变的特点,分析了影响USEDCARS技术测量空间分辨力的各种因素,采用一组轴棱锥对USEDCARS系统中的泵浦激光进行环状光束整形,并通过调节轴棱锥之间的距离获得了不同直径的环状光束,在此基础上,建立了空间分辨可调USEDCARS诊断系统。开展了空间分辨力分析实验,获得了CARS信号强度随空间位置的分布数据,以CARS信号总强度95%包含的空间区域代表CARS的纵向空间分辨力,以此计算得到了CARS系统空间分辨力为1.7~6.5 mm连续可调。其中,高分辨力情况,达到了现有BOXCARS技术的空间分辨力。利用所建立的空间分辨可调USEDCARS诊断系统测量了酒精/空气预混火焰温度参数,获得了不同空间分辨条件下的CARS光谱。空间分辨力为1.7 mm时,获得了高质量CARS光谱,通过光谱拟合给出了所测火焰的温度信息。分辨力分别为4.9和6.5 mm时获得了较强的CA RS信号,但存在光谱畸变。结果显示,空间分辨力对CARS信号的强度和空间平均效应有很大地影响,提高测量的空间分辨力可以有效消除空间平均效应,获得准确的CARS光谱,增强光谱拟合精度,同时空间分辨可调的特性使该系统能够更好地适应不同实验条件下的诊断工作。

关键词：相干反斯托克斯拉曼散射空间分辨力轴棱锥环状光束

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局域热平衡Sn等离子体极紫外辐射不透明度和发射谱的理论研究

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物理学报 2023年第18期72卷 94-106页

作者：高城刘彦鹏严冠鹏闫杰陈小棋侯永靳奉涛吴建华曾交龙袁建民国防科技大学理学院长沙410073 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室西安710000 浙江工业大学理学院杭州310023 中国工程物理研究院研究生院北京100193

锡(Sn)是13.5 nm光刻光源的材料,Sn等离子体辐射性质对光源设计意义重大.基于细致能级模型,在局域热平衡假设条件下计算得到了Sn等离子体辐射不透明度和发射谱.使用多组态Dirac-Fock方法获得了Sn^(6+)-Sn^(14+)离子的能级和辐射跃迁振... 详细信息

锡(Sn)是13.5 nm光刻光源的材料,Sn等离子体辐射性质对光源设计意义重大.基于细致能级模型,在局域热平衡假设条件下计算得到了Sn等离子体辐射不透明度和发射谱.使用多组态Dirac-Fock方法获得了Sn^(6+)-Sn^(14+)离子的能级和辐射跃迁振子强度等基本原子参数.针对波长在13.5 nm附近的4d-4f和4p-4d跃迁系,重点考虑了4d^(m)-4f^(m)(m=1,2,3,4)和4p^(n)-4d^(n)(n=1,2,3)的电子关联效应.在大规模组态相互作用计算中,每种电荷态离子的精细能级数目约为20万.对较强的吸收谱线(振子强度大于0.01),其长度和速度表示的相对差异为20%—30%.基于精密原子参数,计算了Sn等离子体在30 eV,0.01 g/cm^(3)条件下的透射谱,与实验结果基本符合.系统计算了温度16—30 eV,密度0.0001—0.1 g/cm^(3)条件下的Sn等离子体辐射不透明度和发射光谱,分析了极紫外(extreme ultraviolet,EUV)光谱随温度和密度的变化规律.研究表明温度一定时,密度增大会使得13.5 nm附近的辐射不透明度和发射谱包络增宽.而密度一定时,随着温度的增加,辐射不透明度和发射谱在13.5 nm附近存在明显的窄化效应.本文工作有助于EUV光刻光源的设计和研究.

关键词：极紫外光源细致能级模型组态相互作用

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