專利名稱：一種延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光等離子體，具體涉及一種延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)
量裝置。
背景技術(shù)：
將強(qiáng)激光束聚焦在靶材表面或透明介質(zhì)中，當(dāng)聚焦區(qū)域的激光功率密度超過一定閾值時(shí)，就會(huì)形成時(shí)間上和空間上變化劇烈的等離子體，并且伴隨有沖擊波向四周傳播。由于激光等離子體具有潛在的廣泛應(yīng)用，很多學(xué)者對(duì)它的產(chǎn)生和衰變進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)際應(yīng)用中，人們往往希望延長(zhǎng)等離子體的壽命，因此利用延遲雙脈沖激光延長(zhǎng)等離子體壽命的研究有著重要意義。電子密度是激光等離子體的重要參數(shù)，近年來對(duì)激光等離子體這一方面的研究有了新的進(jìn)展。對(duì)激光等離子體發(fā)射譜線的Stark展寬進(jìn)行分析可以得到不同時(shí)刻等離子體電子密度的空間分布。利用干涉法可以獲得激光等離子體的時(shí)間序列干涉圖，通過對(duì)干涉圖進(jìn)行處理提取條紋偏移量并利用Abel逆變換，也可以得到不同時(shí)刻等離子體電子密度的空間分布。但目前關(guān)于延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體電子密度的研究尚未見到報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為研究及獲得延遲雙脈沖激光產(chǎn)生的等離子體電子密度分布，提供了一種利用干涉法對(duì)延遲雙脈沖激光產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行診斷的測(cè)量裝置。本實(shí)用新型提供的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置，包括激光器、通過倍頻晶體和二向色分光鏡將激光光束分成基頻光光路和倍頻光光路的二向色光分離系統(tǒng)、等離子體干涉探測(cè)系統(tǒng)和等離子體干涉條紋接收系統(tǒng)，所述等離子體干涉探測(cè)系統(tǒng)包括干涉儀和倍頻光探測(cè)系統(tǒng)，所述基頻光光路上設(shè)有用于將基頻光分成兩束光的分光系統(tǒng)，其中，第一光束用于聚焦到干涉儀中的靶材產(chǎn)生等離子體，第二光束用于聚焦到第一光束所產(chǎn)生的等離子體中；所述分光系統(tǒng)包括位于基頻光光路上的可旋轉(zhuǎn)的半波片和分光用的偏振分光鏡。所述第二光束的光路上設(shè)有由反射鏡和透鏡組成的延遲光路。所述第一光束和第二光束聚焦前的夾角不大于5°。本實(shí)用新型通過延遲雙脈沖激光擊穿靶材產(chǎn)生具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的等離子體，利用干涉法對(duì)其進(jìn)行診斷，得到等離子體的時(shí)間序列干涉圖，進(jìn)而得到不同時(shí)刻等離子體的電子密度分布和沖擊波參數(shù)。該測(cè)量裝置具有對(duì)延遲雙脈沖激光在靶材表面和透明介質(zhì)中產(chǎn)生等離子體均可探測(cè)的特點(diǎn)。本實(shí)用新型的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，實(shí)用方便，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。

圖I為本實(shí)用新型延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置示意圖；[0010]圖2為利用本實(shí)用新型測(cè)量裝置拍攝得到的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生大氣等離子體的時(shí)間序列干涉圖。圖中，激光從右向左射入，第一束光能量為30mJ，第二束光能量為25mJ，圖的尺寸為I. OI. 55mm2。圖下為探測(cè)光延遲時(shí)間，單位為納秒；圖3為利用本實(shí)用新型測(cè)量裝置拍攝得到的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生Al等離子體的時(shí)間序列干涉圖。圖中，激光從右向左射入，第一束光能量為8mJ，第二束光能量為8mJ，圖的尺寸為O. 9] 0.91mm2。圖下為探測(cè)光延遲時(shí)間，單位為納秒；圖4力對(duì)圖2和圖3進(jìn)行處理后得到的等離子體中心區(qū)域電子密度。圖中1、激光器,2、倍頻晶體,3、二向色分光鏡,4、半波片,5、偏振分光鏡，6、7、8、9、12、13、14、24、16、反射鏡，10、15、17、19、21、凸透鏡，11、靶材，18、空間濾波器，20、馬赫-曾德爾干涉儀，22、干涉濾波片，23、(XD，25、第一光束，26、第二光束，27、倍頻光光路，28、基頻光光路。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。如圖I所示，本實(shí)用新型提供的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置，包括激光器I、通過倍頻晶體2和二向色分光鏡3將激光光束分成基頻光光路28和倍頻光光路27的二向色光分離系統(tǒng)、等離子體干涉探測(cè)系統(tǒng)和等離子體干涉條紋接收系統(tǒng)，其中，等離子體干涉探測(cè)系統(tǒng)包括干涉儀20和倍頻光探測(cè)系統(tǒng)，且基頻光光路28上設(shè)有用于將基頻光分成兩束光的分光系統(tǒng)，其中，第一光束25用于聚焦干涉儀20中的靶材11產(chǎn)生等離子體，第二光束26用于聚焦到第一光束25所產(chǎn)生的等離子體中；分光系統(tǒng)包括位于基頻光光路28上的可旋轉(zhuǎn)的半波片4和分光用的偏振分光鏡5 ;二向色分光鏡3將作用光即基頻光和探測(cè)光即倍頻光分離，半波片4和偏振分光鏡5將作用光分為兩束，半波片4由可旋轉(zhuǎn)鏡架夾持，反射鏡6、7、8、9和透鏡10組成第二光束的延遲光路，夾持透鏡10的鏡架固定在三維調(diào)節(jié)架上，反射鏡15、16組成探測(cè)光的延遲光路，透鏡17、19和空間濾波器18組成空間濾波系統(tǒng)，透鏡21、干涉濾波片22和CXD 23組成等離子體干涉條紋接收系統(tǒng)；夾持透鏡10的鏡架固定在三維調(diào)節(jié)架上，使用三維調(diào)節(jié)架可調(diào)節(jié)透鏡10的位置。本實(shí)用新型的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量方法包括下列步驟^BjfQ-NchYAG激光器I輸出波長(zhǎng)為1064nm，脈寬為10ns，光束直徑為6mm。激光器
發(fā)出的激光通過倍頻晶體2后二向色分光鏡3將倍頻光(- =532nm)和基頻光( 1 =1064nm)分離。 基頻光通過半波片4、偏振分光鏡5后被分為兩束，旋轉(zhuǎn)半波片4片對(duì)兩束光的
能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，第一光束通過平凸透鏡15聚焦擊穿靶材11產(chǎn)生等離子體，第二光束經(jīng)過延遲光路后通過平凸透鏡10聚焦作用在等離子體中。根據(jù)激光束直徑，適當(dāng)選取平凸透鏡15和平凸透鏡10的焦距，使兩束光聚焦前的夾角小于5°。(論通過改變反射鏡7、8、9的位置調(diào)節(jié)第二光束的延遲時(shí)間，第二光束和第一光束之間的延遲時(shí)間為30ns。 倍頻光作為探測(cè)光通過延遲光路、空間濾波系統(tǒng)和馬赫-曾德爾干涉儀20形
成攜帶等離子體折射率信息的干涉條紋，由CCD 23接收等離子體干涉條紋，CCD 23與電腦相連以顯示拍攝到的干涉圖并存入電腦硬盤。 根據(jù)電腦顯示的干涉圖使用三維調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)透鏡10的位置進(jìn)而使第二光束聚焦后作用在等離子體對(duì)稱軸上。@通過改變反射鏡15、16的位置調(diào)節(jié)倍頻光的延遲時(shí)間進(jìn)而拍攝不同延遲時(shí)間的等尚子體干涉圖。圖2是實(shí)驗(yàn)獲得的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生大氣等離子體的時(shí)間序列干涉圖，其中第一光束能量為30mJ，第二光束能量為25mJ。圖3是實(shí)驗(yàn)獲得的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生Al等離子體的時(shí)間序列干涉圖，其中第一光束能量為8mJ，第二光束能量也為8mJ。等離子體尺 寸的確定可以通過對(duì)高精度尺子的陰影圖的處理獲得。探測(cè)光延遲時(shí)間分別為7，15，25，35，45，60，68，78，88ns。對(duì)干涉圖進(jìn)行條紋細(xì)化可以提取干涉條紋偏移量。從圖2和圖3可以看出，激光等離子體具有明顯的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，利用Abel逆變換，就可以得到等離子體的折射率分布，即
dS(x)w(r)i = _A廣 dx 妒(I)
π r -Jx3 - r2其中f力等離子體折射率，七為環(huán)境氣體折射率(這里取巧= 1.0033 ) 7力激光入射方向，r為激光等離子體的徑向方向，為干涉條紋偏移量，R為等離子體對(duì)稱軸至沖擊波波面的距離。通過條紋細(xì)化得到的50)是一系列離散的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行擬合后可以得到等離子體折射率的徑向分布。電子密度較高時(shí)干涉條紋的偏移由等離子體電子密度決定，即Ne = -^ [ (n - 0) + (. -1) ]。(2)
& Jl其中，e是電子電量，是電子質(zhì)量，今是真空電容率，e是真空中的光速。要
得到等離子體的電子密度分布，首先需要通過區(qū)域分割獲得等離子體區(qū)域，然后再利用式
(2)計(jì)算激光等離子體的電子密度。圖2中延遲時(shí)間為7ns和35ns的干涉條紋圖比較模糊，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)一是等離子體膨脹過快，二是等離子體電子密度變化過快。我們通過對(duì)圖2和圖3中可處理的干涉圖進(jìn)行條紋細(xì)化并提取干涉條紋偏移量，然后利用式(I)和式(2 )計(jì)算圖2和圖3所示的等離子體場(chǎng)中軸長(zhǎng)為O. 2mm、半徑為O. 02mm的圓柱形中心區(qū)域電子密度的平均值，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，第二光束作用后等離子體電子密度增大。[0031]采用二維FFT分析法對(duì)圖2和圖3中的干涉圖進(jìn)行波面重建，可以獲得不同時(shí)刻延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體沖擊波在各方向的位移，進(jìn)而通過曲線擬合和求導(dǎo)獲得等離子體沖擊波在各方向的波速。對(duì)于波后壓縮氣體，中性粒子占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，因此有《>1。由Gladston-Dale方程可知，空氣壓縮層的氣體密度和折射率的關(guān)系為P= [η(4-1]/[,其中P (g/cm_3)為氣體密度，對(duì)于空氣 =532nm時(shí)I =0. 2273 (cm3/g)。要得到等離子體的波后壓縮氣體密度分布，首先需要通過區(qū)域分割獲得波后壓縮氣體區(qū)域，然后再利用氣體密度和折射率的關(guān)系式計(jì)算波后壓縮氣體密度。由此可見，通過對(duì)圖2和圖3中的干涉圖進(jìn)行處理可以獲得延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體沖擊波的波后壓縮氣體密度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本實(shí)用新型用于對(duì)延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體干涉條紋的拍攝， 獲得清晰的等離子體干涉條紋照片，進(jìn)而得到電子密度和沖擊波參數(shù)，處理效果好。
權(quán)利要求1.一種延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置，包括激光器、通過倍頻晶體和ニ向色分光鏡將激光光束分成基頻光光路和倍頻光光路的ニ向色光分離系統(tǒng)、等離子體干渉探測(cè)系統(tǒng)和等離子體干涉條紋接收系統(tǒng)，所述等離子體干渉探測(cè)系統(tǒng)包括干涉儀和倍頻光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在干所述基頻光光路上設(shè)有用于將基頻光分成兩束光的分光系統(tǒng)，其中，第一光束用于聚焦到干涉儀中的靶材產(chǎn)生等離子體，第二光束用于聚焦到第一光束所產(chǎn)生的等離子體中；所述分光系統(tǒng)包括位于基頻光光路上的可旋轉(zhuǎn)的半波片和分光用的偏振分光鏡。
2.如權(quán)利要求I所述的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置，其特征在于所述第二光束的光路上設(shè)有由反射鏡和透鏡組成的延遲光路。
3.如權(quán)利要求2所述的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置，其特征在于所述第一光束和第二光束聚焦前的夾角不大于5°。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置包括激光器、通過倍頻晶體和二向色分光鏡將激光光束分成基頻光光路和倍頻光光路的二向色光分離系統(tǒng)、等離子體干涉探測(cè)系統(tǒng)和等離子體干涉條紋接收系統(tǒng)，所述基頻光光路上設(shè)有用于將基頻光分成兩束光的分光系統(tǒng)，其中，第一光束用于聚焦到干涉儀中的靶材產(chǎn)生等離子體，第二光束用于聚焦到第一光束所產(chǎn)生的等離子體中。本實(shí)用新型具有對(duì)延遲雙脈沖激光在靶材表面和透明介質(zhì)中產(chǎn)生等離子體均可探測(cè)的特點(diǎn)且本實(shí)用新型的延遲雙脈沖激光產(chǎn)生等離子體的測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，實(shí)用方便，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。
文檔編號(hào)G01J9/02GK202547784SQ201220165320
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者劉可, 張樹林 申請(qǐng)人:安徽三聯(lián)事故預(yù)防研究所, 安徽三聯(lián)學(xué)院