本發(fā)明屬于等離子體參數(shù)診斷領(lǐng)域，具體涉及一種等離子體電子密度測量方法，尤其涉及一種基于激光波前分析的等離子體電子密度測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、等離子體電子密度測量技術(shù)領(lǐng)域中，等離子體電子密度的時空分布是核心參數(shù)之一，等離子體電子密度的準(zhǔn)確測量對理解等離子體的特性和行為至關(guān)重要，也是進(jìn)一步理解物理過程和發(fā)展的基礎(chǔ)。

2、針對等離子體電子密度測量通常采用光學(xué)診斷方法，光學(xué)診斷方法因其高空間和時間分辨率，以及非侵入性的特點(diǎn)在等離子體電子密度測量中占據(jù)重要地位。常見的等離子體電子密度測量需要借助激光干涉技術(shù)，包括邁克爾遜、馬赫曾德等方法，但是上述方法需要設(shè)定參考光路；由于設(shè)定的參考光路容易受到環(huán)境因素的影響，任何微小的環(huán)境變化都可能導(dǎo)致參考光路的變化，進(jìn)而影響干涉信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；并且參考光路的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接影響干涉信號的相位差，進(jìn)而影響等離子體電子密度的測量精度?？梢?，如果參考光路受到干擾或發(fā)生變化，將會引入誤差，降低測量結(jié)果的可靠性，導(dǎo)致測量精度受限。此外，通過條紋示蹤法或者相位解纏法獲取條紋偏移量僅能對部分電子密度1017cm-2～1019cm-2量級的等離子體進(jìn)行參數(shù)診斷，而針對低于1017cm-2低密度等離子體診斷能力有限。

3、由此可見，采用現(xiàn)有的等離子體電子密度測量措施，需要預(yù)先設(shè)定參考光路，由于參考光路易受到環(huán)境影響，導(dǎo)致測量精度受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于激光波前分析的等離子體電子密度測量裝置及方法，以解決采用現(xiàn)有的等離子體電子密度測量措施，需要預(yù)先設(shè)定參考光路，由于參考光路易受到環(huán)境影響，導(dǎo)致測量精度受限的技術(shù)問題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)內(nèi)容：

3、一種基于激光波前分析的等離子體電子密度測量裝置，包括：

4、脈沖激光器、分束鏡、第一反射鏡、準(zhǔn)直系統(tǒng)、第二反射鏡、第三反射鏡、二向色鏡、第一微透鏡陣列、第一相機(jī)、第二微透鏡陣列和第二相機(jī)；

5、其中，脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光束經(jīng)分束鏡入射至第一反射鏡；

6、準(zhǔn)直系統(tǒng)中設(shè)置有倍頻晶體；穿過第一反射鏡的脈沖激光束進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)內(nèi)部的倍頻晶體后射出，經(jīng)第二反射鏡入射至等離子體；經(jīng)過等離子體的激光通過第三反射鏡和二向色鏡后分光，基頻光束入射第一透鏡陣列與第一相機(jī)，二次諧波光束入射第二透鏡陣列與第二相機(jī)。

7、進(jìn)一步地，所述準(zhǔn)直系統(tǒng)包括依次同軸布設(shè)的第一可調(diào)光闌、第一透鏡、第二透鏡、第二可調(diào)光闌；所述倍頻晶體位于第一透鏡和第二透鏡之間。

8、進(jìn)一步地，所述倍頻晶體采用倍頻效率大于50%的倍頻晶體。

9、進(jìn)一步地，第一微透鏡陣列和第一相機(jī)以及第二微透鏡陣列和第二相機(jī)的中間鏈接部分均采用遮光處理。

10、進(jìn)一步地，還包括真空腔體，所述等離子體設(shè)置于真空腔體內(nèi)部。

11、一種基于激光波前分析的等離子體電子密度測量方法，基于上述基于激光波前分析的等離子體電子密度測量裝置，包括：

12、脈沖激光器發(fā)射脈沖激光束，依次經(jīng)過分束鏡、第一反射鏡、準(zhǔn)直系統(tǒng)第一部分、倍頻晶體、準(zhǔn)直系統(tǒng)第二部分、第二反射鏡、等離子體、第三反射鏡、二向色鏡，發(fā)射出同軸的雙波長激光；

13、同軸的雙波長激光的基頻光束入射第一透鏡陣列與第一相機(jī)，二次諧波光束入射第二透鏡陣列與第二相機(jī)；

14、利用第一相機(jī)和第二相機(jī)入射的同軸的雙波長激光得到兩個波長下的光斑陣列質(zhì)心坐標(biāo)；

15、根據(jù)兩個波長下的光斑陣列質(zhì)心坐標(biāo)得到等離子體電子密度的分布。

16、進(jìn)一步地，其中：

17、脈沖激光器作為光源，用于發(fā)射波長為的脈沖激光束，入射到分束鏡上；再由分束鏡入射到第一反射鏡；

18、脈沖激光束的基頻光束通過第一可調(diào)光闌、第一透鏡后入射倍頻晶體；通過倍頻晶體后產(chǎn)生的波長為的二次諧波；

19、脈沖激光束的基頻光束和二次諧波光束同軸從倍頻晶體出射，經(jīng)第二透鏡、第二可調(diào)光闌、第二反射鏡后進(jìn)入真空腔體并穿過等離子體；經(jīng)過等離子體的激光通過第三反射鏡并由二向色鏡分離基頻光束和二次諧波光束；

20、基頻光束入射第一透鏡陣列與第一相機(jī)，二次諧波光束入射第二透鏡陣列與第二相機(jī)。

21、進(jìn)一步地，同軸的雙波長激光的基頻光束入射第一透鏡陣列與第一相機(jī)，二次諧波光束入射第二透鏡陣列與第二相機(jī)的具體步驟如下：

22、經(jīng)過等離子體的同軸的雙波長激光通過二向色鏡分離基頻光束和二次諧波光束，基頻光束入射第一透鏡陣列與第一相機(jī)，二次諧波光束入射第二透鏡陣列與第二相機(jī)，產(chǎn)生焦點(diǎn)光斑陣列圖像；根據(jù)焦點(diǎn)光斑陣列圖像得到兩個波長下的焦點(diǎn)光斑陣列質(zhì)心坐標(biāo)。

23、進(jìn)一步地，根據(jù)焦點(diǎn)光斑陣列圖像得到兩個波長下的焦點(diǎn)光斑陣列質(zhì)心坐標(biāo)，得到焦點(diǎn)光斑質(zhì)心位置結(jié)果，具體為：

24、第一步、從整幅焦點(diǎn)光斑陣列圖像的左上角遍歷至右下角，求得窗口覆蓋下對應(yīng)子圖的像素和，將像素和存放到矩陣中并求矩陣的最大值；對各極大值對應(yīng)的子圖進(jìn)行位置掃描，提取有重疊部分的子圖，并對有重疊位置的子圖作出計算：

25、

26、式中，為窗口中心點(diǎn)像素的光強(qiáng)，代表與中心點(diǎn)相鄰的點(diǎn)像素的光強(qiáng)度，為整數(shù)，且；

27、第二步、采用自適應(yīng)閾值選取方法，估計光斑所占的像素個數(shù)m，子光斑寬度，主光斑直徑所占的像素數(shù)，主光斑所占像素個數(shù)，將各個子光斑所有像素灰度值從大到小排列，對于每個透鏡對應(yīng)的成像區(qū)域內(nèi)，計算第到第個灰度值的平均值，作為子光斑區(qū)域的閾值：

28、

29、式中，，以及分別表示從第到第n2個像素的灰度值；

30、以完成焦點(diǎn)光斑質(zhì)心的定位，得到焦點(diǎn)光斑質(zhì)心位置結(jié)果。

31、進(jìn)一步地，根據(jù)焦點(diǎn)光斑質(zhì)心位置結(jié)果得到等離子體電子密度的分布，具體為：

32、基頻光束波長和二次諧波光束波長下的焦點(diǎn)光斑質(zhì)心位移之差，具體公式如下：

33、

34、式中，和分別表示恒定的折射率指數(shù)和中性粒子在等離子體產(chǎn)生之前和之后之間的粒子密度變化；和分別表示正離子；表示電子的變化，分別表示等離子體的徑向、軸向和光路方向；為激光波長；是常數(shù)；

35、當(dāng)激光束穿過0≤z≤l處產(chǎn)生的等離子體時，x方向上的第k個焦點(diǎn)光斑偏移量可表示為，采用求解電子密度成像使用的兩個不同波長，用于有效消除中性粒子的干擾，具體為：

36、

37、式中，是微透鏡的焦距；

38、則等離子體線積分密度表示為：

39、

40、式中，ne為空間電子密度的積分；

41、進(jìn)一步等離子體電子密度表示為：

42、。

43、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

44、本發(fā)明提供一種基于激光波前分析的等離子體電子密度測量裝置，本裝置采用倍頻晶體將基頻激光束變換為同軸的基頻光束和二次諧波光束，兩個同軸的激光束在通過等離子體會產(chǎn)生不同的波前變化并通過微透鏡陣列轉(zhuǎn)化為焦點(diǎn)光斑質(zhì)心位移的變化；本裝置不同于其他測量方式需要設(shè)置探測光和參考光，也無需有無等離子體前后的對比，只需要參考同軸的兩束不同波長的激光光束經(jīng)過等離子體后焦點(diǎn)光斑質(zhì)心的變化差別即可；采用本測量裝置能夠消除實(shí)驗(yàn)過程中中性粒子的干擾并排除有無等離子體兩發(fā)實(shí)驗(yàn)中激光的差別，可以實(shí)現(xiàn)同步的補(bǔ)償，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)置的參考光路易受到環(huán)境影響，從而導(dǎo)致測量精度受限的問題；本裝置原理簡單，便于實(shí)施，測量靈敏度高。具有良好的推廣應(yīng)用價值。

45、優(yōu)選地，本發(fā)明中，準(zhǔn)直系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括同軸布設(shè)的可調(diào)光闌和透鏡，以及倍頻晶體的位置，這種設(shè)計確保了激光束的準(zhǔn)直性和穩(wěn)定性，從而提高了測量的精度。

46、優(yōu)選地，本發(fā)明中，采用倍頻效率大于50%的倍頻晶體，提高了二次諧波的轉(zhuǎn)換效率，使得二次諧波光束的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，能夠被相機(jī)清晰捕捉，進(jìn)一步提高了測量的靈敏度和準(zhǔn)確性。

47、優(yōu)選地，本發(fā)明中，通過引入真空腔體來容納等離子體，有效隔離了外部環(huán)境對等離子體的干擾，確保了測量環(huán)境的穩(wěn)定性和純凈性，從而提高了測量結(jié)果的可靠性。

48、優(yōu)選地，本發(fā)明中，對第一微透鏡陣列和第一相機(jī)以及第二微透鏡陣列和第二相機(jī)的連接部分進(jìn)行遮光處理，并采用30mm同軸系統(tǒng)連接，減少了雜散光的干擾，提高了成像質(zhì)量，使得焦點(diǎn)光斑陣列的質(zhì)心坐標(biāo)更加準(zhǔn)確。

49、本發(fā)明還提供了一種基于激光波前分析的等離子體電子密度測量方法，基于上述基于激光波前分析的等離子體電子密度測量裝置，首先，本測量方法通過構(gòu)建的測量裝置發(fā)射出同軸的雙波長激光；由相機(jī)接收雙波長激光并得到兩個波長下的焦點(diǎn)光斑陣列質(zhì)心坐標(biāo)，最終通過焦點(diǎn)光斑陣列質(zhì)心坐標(biāo)得到等離子體電子密度的分布；采用本方法能夠消除實(shí)驗(yàn)過程中中性粒子的干擾，準(zhǔn)確測量等離子體電子密度；其次，保持了很好的穩(wěn)定性，因?yàn)槟軌蚺懦袩o等離子體兩發(fā)實(shí)驗(yàn)中激光的差別，可以實(shí)現(xiàn)同步的補(bǔ)償；另外，同軸的激光能夠更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)同一位置的測量，對于本就精細(xì)的測量過程在空間位置上更為精準(zhǔn)。最終實(shí)現(xiàn)高于普通干涉1～2個數(shù)量級的等離子體線積分密度測量靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)對等離子體電子密度高效、可靠、靈敏度高的測量。

50、優(yōu)選地，本發(fā)明中，脈沖激光束從發(fā)射到穿過等離子體并被相機(jī)捕捉的整個過程，包括倍頻過程、光路調(diào)整和分離等步驟，上述步驟有助于實(shí)現(xiàn)精確測量，保證了測量的效率與精度。

51、優(yōu)選地，本發(fā)明中，通過焦點(diǎn)光斑陣列圖像得到焦點(diǎn)光斑陣列質(zhì)心坐標(biāo)，為后續(xù)的電子密度計算提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

52、進(jìn)一步優(yōu)選地，本發(fā)明中，提出了一種自適應(yīng)閾值選取方法來確定焦點(diǎn)光斑質(zhì)心位置，該方法能夠自動適應(yīng)不同亮度和形狀的焦點(diǎn)光斑，提高了質(zhì)心定位的準(zhǔn)確性和魯棒性，為電子密度計算提供了可靠的輸入數(shù)據(jù)。

53、進(jìn)一步優(yōu)選地，本發(fā)明中，根據(jù)焦點(diǎn)光斑質(zhì)心位置結(jié)果，推導(dǎo)出了等離子體電子密度的計算公式，并利用兩個不同波長的焦點(diǎn)光斑質(zhì)心位移之差來消除中性粒子的干擾，從而實(shí)現(xiàn)了對等離子體電子密度的精確測量；使得本方法具有較高的測量精度和抗干擾能力。