大气压He-Ar射频容性放电研究

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近年来,光泵浦氩气亚稳态激光器由于化学性质稳定、发射近红外激光、光束质量高、量子效率高以及有可能扩展到高功率激光器而备受关注。该激光器的激光下能级Ar亚稳态1s5(3s23p54s3P2)粒子数密度是激光器正常运转的关键,但该能级的能量较高(11.548 eV),不易获得。因此,如何产生足够多的Ar1s5粒子数密度是研究该类激光器的重要课题。  产生激发态气体的常见方式是气体放电。本文采用射频放电的方式,电源频率13.56 MHz,放电气体为He-Ar混合气体。为判断放电状态,通过高压探头测量放电电压,采用发射光谱法测量等离子体的重要参数:气体转动温度、电子温度、电子密度和Ar1s5粒子数密度。其中气体转动温度通过拟合N2第二正带谱获得;电子温度通过双谱线法和玻尔兹曼作图法获得;电子密度通过Ar原子谱线696.54 nm的Stark展宽获得;Ar1s5粒子数密度通过谱线419.83 nm和420.07 nm的线强比率获得。  本文通过以上手段研究了静态和气体流动状态下气体配比、气压、流量和放电功率对裸金属电极放电和介质阻挡放电的影响。结果发现,裸金属电极在100 kPa的条件下静态放电,Ar1s5粒子数密度随着放电功率的增加而增加。Ar体积含量2%~5%区间, Ar1s5粒子数密度在Ar含量为4%时最大,在70 W的放电功率下达到1.5×109 cm-3。介质阻挡放电在Ar含量为3%的条件下静态放电,Ar1s5粒子数密度随着气压的增加而下降,且在相同条件下放电电压等放电参数比裸金属电极放电更高。将实验改为流动放电,发现各项参数的变化趋势与静态介质阻挡放电的类似,不同的是,Ar1s5粒子数密度比静态放电的高。改变介质阻挡放电的Ar含量及气体流量,发现Ar1s5粒子数密度在Ar含量为4.2%,流量为2.0 L/min最大。分析放电光谱发现,随着放电时间的增加,静态放电时,400~600 nm水蒸气的转动谱强度持续增强,而Ar原子的谱线强度减弱。752~807 nm范围内的Ar原子和O原子的谱线强度均不同程度下降,且Ar原子的谱线强度下降幅度较大。流动放电时,谱线强度均增加,且没有发现水蒸气的转动谱,表明气体流动时放电区的杂质气体减少,高能粒子增加。752~807 nm范围内的Ar原子和O原子的谱线强度均小幅增加,且O原子谱线强度较强,表明放电室O原子的含量较稳定,且无法通过流动的方式消除。
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