在放电实验中常用的射频容性放电频率范围为1~100 MHZ，而射频容性放电的基本结构是电压加载在平板放电电极上，在极板间形成周期变化的势场。

  射频容性放电时，放电间隙的电场周期性变化，且周期小于复合时间(一般在10s左右)，等离子体中较重粒子(如离子)在快速变化的电场中基本保持“不动”，离子产生的传导电流可忽略不计。

  而电子由于质量较小，很容易在交变的电场中获得能量作振荡运动，这增加了电子与气体原子或分子的碰撞几率，使得电离率明显提高，能够大大降低气体击穿电压。

  通常来讲，射频容性放电的击穿电压只有直流放电的1/10左右，放电难度大幅度降低。

  射频容性放电区域内的中性气体原子或分子被同一区域内产生并振荡的电子碰撞后发生电离，而离子、电子等带电粒子可能由于复合而消失，这通常发生在较长放电间隙产生的等离子体中间均匀发光的区域。

  这种中间的均匀电中性等离子体区域被称为正柱区，这个术语来自于直流辉光放电物理学。通常情况下，射频容性放电能够以两种不同的模式运行，即α模式和γ模式，这两种模式的主要不同之处在于电流密度大小不同，当放电条件发生明显的变化(主要是约化电场强度增加)时，低电流密度且正柱区放电均匀的α模式会转变为高电流密度且正柱区放电不均匀的γ模式。

  而对于OPRGL来说，其要求等离子体均匀才能轻松的获得连续且稳定的激光输出，因此本文主要研究的是α模式下的射频容性放电。

  OPRGL的纵向和横向泵浦下的功率缩放模型都指出，实现100 kw级乃至兆瓦级激光的输出需要数十乃至数百立方厘米的增益介质，由于射频容性放电正柱区的体积扩展性较好，增加极板的面积很容易实现放电体积的增加，因此利用射频容性放电激励Ar/He混合气体很容易实现所需的放电体积。

  该放电技术不仅已经被用于大范围的应用的高功率二氧化碳激光器领域，而且其被用于产生亚稳态粒子的可行性也已经在OPRGL领域得到了证实。

  然而，高密度的亚稳态粒子是实现OPRG高效输出的必要条件之一，因此，研究在大体积放电下的亚稳态粒子数密度对放电条件的依赖性，有助于我们优化基于射频容性放电的 OPRGL以实现高效输出。

  此外，高俊等人已经证实了实现OPRGL大体积射频容性放电的可行性，但实现的激光连续输出功率不到1mw，光转换效率较低。

  因此要建立模型，考察影响基于射频容性放电的OPRGL光转换效率的因素，以帮助优化射频容性放电系统的放电参数。

  对射频介质阻挡放电作了零维和一维的放电动力学模拟，预测射频介质阻挡放电产生的亚稳态粒子数密度随气压下降并处于1011 cm量级。

  该模型并不包含激光过程，无法考察激光输出对放电条件的依赖性。因此本章在实验研究的同时，也将建立基于射频容性放电激光动力学模型，用于探究大体积射频容性放电下OPRGL 的动力学以及光-光转换效率，分析粒子产生与损耗机制，探究影响大体积射频容性放电 OPRGL光-光转换效率的因素。

  为研究封闭射频容性放电等离子体的亚稳态粒子数密度，如图所示，个人会使用了一个相互正交的六通不锈钢高线 cm)，在它的侧面有四个窗口: 这些窗口能够适用于探测或泵浦光路，或者用于观察放电等离子体。

  放电腔接口均为CF法兰以挤压无氧铜圈来实现金属静密封，腔体能承受250°C以上的高温烘烤。

  充气前需先打开前置涡旋真空泵将放电腔内气压抽至涡轮分子泵要求的8 mBar以下，再打开分子泵将气压抽至所需真空度。

  放电装置为一对平行极板，其实物图如图7所示，铜制上极板(放电面积长 10 cm，宽 2cm) 由放电腔底部的铜柱支撑并固定，上极板电学接地，尺寸稍小的铝制下极板被氧化错螺丝悬挂于上极板，极板间采用陶瓷垫片间隔出0.2 m的放电间隙，因此，这对平行极板设计的放电体积为10x2x0.2 cm3。

  气体放电和光谱诊断装置主要由射频驱动电源、阻抗匹配器、放电极板、可调谐波长的钦宝石激光器、法布里-珀罗干涉仪和光电探测器组成，装置的框图如图所示。

  商业的射频驱动电源(RSG500，瑞思杰尔)在13.56 MH频率下工作，经过阻抗匹配器(PSG-II，瑞思杰尔)通过1.5 m长的同轴电缆与下极板相连用于产生等离子体。

  实验中使用了一台商业的钦宝石激光器(Matisse，Spectra-Physics)产生探测光该钦宝石激光器具有一个环形谐振腔结构，可通过在环形腔内插入的双折射滤光器(Birefringence Filter)、薄标准具(Thin Etalon)和压电标准具(Piezo Etalon)实现激光器的单纵模输出，其谱线 MHz) 远低于大气压下Ar (1s5)的吸收线 GHZ) 。

  环形腔的腔长调节通过压电陶瓷控制调节镜(Tuning Mirror)的位置来实现，该激光器可以在一定程度上完成无跳模调谐的范围约为 50 GHZ。

  亚稳态粒子数密度能够最终靠调谐铁宝石激光的频率，根据等离子体对探测光的吸收系数和吸收线型计算得到。

  钦宝石激光器产生的探测光束通过了两个分束器 (EBP1，Thorlabs)，一部分光被引导到法布里-珀罗干涉仪(SA210-5B，Thorlabs)中用于校准激光频率;另一部分光作为参考光被直接收集到光电探测器(DET100A2，Thorlabs)中，用来校准在扫描频率过程中的探测激光强度。

  探测光束在通过等离子体之前被中性密度滤光片衰减，并保证从等离子体中心的正柱区穿过。

  透射光强和参考光强用光电二极管 (DET100A2.Thorlabs)同步测量并显示于示波器(DSO7034A，Agilent)上，示波器采样使用平均模式(平均次数为128)记录。

  为避免吸收饱和效应，吸收光谱实验采用了10 cm的吸收光程，且探测激光保持在毫瓦量级。

  放电电压采用高压探头 (10076B,Keysight) 结合示波器进行监测。

  介入式诊断法最常见的为探针法，主要是通过在放电区域插入探针，并根据伏安特性曲线计算出等离子体的特征参数。

  然而大范围的应用于低气压等离子体的Langmuir探针并不适用于大气压下产生的等离子体，这是因为电子与中性粒子碰撞的平均自由程远远小于探针的尺寸，所以无碰撞的鞘层模型并不适用于此。

  此外，探针的引入还会对放电等离子体造成干扰，有一定的概率会影响放申特征参数。光谱法作为一种非介入式诊断法，不会干扰放电等离子体，并能适用于近大气压下放电，因此本文采用光谱法作为诊断等离子体的方法。

  吸收光谱诊断法是经过测量粒子从低能级跃迁到高能级对光子的吸收度来计算等离子体的特性参数，被大范围的使用在计算等离子体中的亚稳态粒子数密度。

  发射光谱法通过直接测量激发态粒子的自发辐射光谱强度，根据光谱特征谱线的强度计算所需特征参数。

  气体温度、电子激发温度、电子密度和亚稳态粒子数密度都能够最终靠发射光谱诊断获得。

  实验中测量Ar(1s5)密度用于评估该放电下的OPRGL能否实现高效激光输出。

  采用1s5→2p9跃迁对应波长(811.53 nm)下的吸收光谱诊断法，测量出的亚稳态粒子数密度较为精确，根据比尔-朗伯定律计算得到：

  由于分子的转动能级能量差与分子的热运动能量接近，分子之间的碰撞很容易使分子的转动能级分布和平动动能分布达到热平衡。

  在这种情况下，可以认为转动温度近似等于气体温度，所以我们用双原子分子的转动光谱来估算放电区域内气体的温度。返回搜狐，查看更加多