專利名稱：空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光等離子體，特別是一種空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
飛秒超強(qiáng)激光脈沖在空氣中傳輸時(shí)，由于空氣中的克爾效應(yīng)產(chǎn)生的自聚焦過(guò)程與光束衍射和等離子體通道的自散焦過(guò)程形成了一種動(dòng)態(tài)平衡，從而出現(xiàn)了成絲現(xiàn)象。由于強(qiáng)激光脈沖的傳播過(guò)程中產(chǎn)生的成絲現(xiàn)象具有潛在的廣泛應(yīng)用，因此，它引起了科研人員的極大興趣。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)成絲現(xiàn)象的報(bào)道中，已經(jīng)能夠得到10m以上的等離子體通道。在實(shí)際應(yīng)用中，人們往往希望增加等離子體通道的長(zhǎng)度，提高等離子體的電離度，同時(shí)延長(zhǎng)等離子體通道的壽命。因此，有關(guān)等離子體通道壽命的測(cè)量成為人們研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。
傳統(tǒng)的激光等離子體通道壽命的測(cè)量一般采用光電測(cè)量系統(tǒng)。電子和離子符合時(shí)所發(fā)射的光的壽命，反應(yīng)了等離子體存在的時(shí)間，通過(guò)測(cè)量這個(gè)量來(lái)簡(jiǎn)單估計(jì)通道存在的時(shí)間。但是，用于測(cè)量中使用了光電管，而該光電系統(tǒng)自身存在的時(shí)間響應(yīng)約為幾個(gè)納秒，與激光等離子體通道的壽命時(shí)間量級(jí)(幾十納秒)相比，不可忽略，因此，必須進(jìn)行其他的數(shù)學(xué)分析過(guò)程(如反卷積)，以估計(jì)等離子體通道壽命，顯然測(cè)量誤差是不可忽視的。
光學(xué)縱向衍射技術(shù)也被用來(lái)測(cè)量等離子體通道的壽命。該技術(shù)是利用泵浦-探測(cè)測(cè)量，并通過(guò)分析泵浦光經(jīng)過(guò)等離子體通道后得到的衍射圖樣得到有關(guān)等離子體通道中的有關(guān)電子密度的信息，通過(guò)改變泵浦光和探測(cè)光之間的間隔得到不同時(shí)刻的電子密度信息，從而分析出等離子體通道壽命。使用該技術(shù)由于它所能測(cè)量的電子密度(通常最低量級(jí)在1016cm-3)的限制，所以它只能測(cè)量通道壽命小于1個(gè)納秒的電子密度變化信息。這對(duì)于激光等離子體通道壽命的分析來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種空氣中激光等離子體壽命的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，該測(cè)量裝置應(yīng)具有簡(jiǎn)潔、數(shù)據(jù)采集的便捷、數(shù)據(jù)分析的直觀、測(cè)量范圍更大的特點(diǎn)，以方便且準(zhǔn)確的得到有關(guān)空氣中激光等離子體壽命的信息，得到在電子密度更低時(shí)，如1015cm-3或1014cm-3時(shí)的電子數(shù)的變化曲線是本發(fā)明所要解決的問(wèn)題。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是直接測(cè)量空氣中激光等離子體內(nèi)的電子所產(chǎn)生的電信號(hào)。飛秒超強(qiáng)激光在空氣中傳輸時(shí)的成絲的內(nèi)部有大量的自由電子。等離子體通道內(nèi)部的電信號(hào)的變化過(guò)程可以反映成絲內(nèi)自由電子的衰減過(guò)程。因此可以通過(guò)測(cè)量等離子體通道內(nèi)部的電信號(hào)的變化過(guò)程，以得到通道的壽命信息以及通道存在時(shí)間內(nèi)電子密度的演化曲線。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置，其特征在于一根直徑≤0.5mm金屬絲即金屬探針，由一個(gè)位于導(dǎo)軌上的三維絕緣調(diào)整座夾持，該金屬探針的末端與帶寬≥500MHz的示波器的探頭的一端相連，該示波器的探頭的另一端接地。
所述的三維絕緣調(diào)整座置于一個(gè)導(dǎo)軌上，并可在導(dǎo)軌上移動(dòng)。
利用上述的測(cè)量裝置對(duì)空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量方法，該方法包括下列步驟①激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過(guò)第一反射鏡和第二反射鏡的反射改變光路后經(jīng)一聚焦透鏡后在空氣中產(chǎn)生激光等離子體通道；
②將安裝有所述的三維絕緣調(diào)整座的導(dǎo)軌沿所述的激光等離子體通道方向設(shè)置，調(diào)整所述的三維絕緣調(diào)整座和所述的金屬探針，使所述的金屬探針的針尖與所述的激光等離子體通道相接觸；③開(kāi)啟示波器，所述的示波器記錄并顯示了金屬探針?biāo)綔y(cè)到的反映所述的激光等離子體通道的電信號(hào)曲線；④改變所述的金屬探針的針尖在所述的激光等離子體通道中的位置，多次重復(fù)第③步，將獲得所述激光等離子體通道(a～b)上不同位置處的電信號(hào)曲線；⑤分析所述的激光等離子體通道(a～b)的電信號(hào)曲線，則可以獲得激光等離子體通道(a～b)中任一點(diǎn)(c)的激光等離子體在一定電子密度水平上的電子弛豫時(shí)間，即等離子體通道在(c)處的壽命。
與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，本發(fā)明空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn)包括1)測(cè)量裝置簡(jiǎn)潔。只需要一根金屬探針、三維絕緣調(diào)整架以及一臺(tái)高采樣頻率示波器。傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)中，需要使用泵浦-探測(cè)的復(fù)雜光路。
2)數(shù)據(jù)采集的便捷。這里的數(shù)據(jù)是通過(guò)采集和分析從示波器中得到的電信號(hào)。傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)中需要使用光譜儀來(lái)記錄探測(cè)光信號(hào)。
3)數(shù)據(jù)分析的直觀。從示波器中得到的信號(hào)直接的反映了電子密度的演化信息。從波形中可以直接得到有關(guān)壽命長(zhǎng)度的結(jié)果。
4)測(cè)量范圍更大。從示波器中能夠得到電子密度從電子被激發(fā)時(shí)的1017cm-3量級(jí)到1014cm-3量級(jí)整個(gè)范圍內(nèi)的信號(hào)演化圖。而傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)得到的是1017cm-3到1016cm-3量級(jí)，這個(gè)較窄范圍內(nèi)的信號(hào)變化圖。


圖1為本發(fā)明空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置示意2為利用本發(fā)明測(cè)量裝置測(cè)量得到的示波器信號(hào)曲線3為測(cè)量結(jié)果與理論模擬對(duì)比圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
本發(fā)明的測(cè)量裝置如圖1所示。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)是于一根直徑≤0.5mm金屬絲，即金屬探針7由一個(gè)位于導(dǎo)軌9上的三維絕緣調(diào)整座8夾持，該金屬探針7的末端與帶寬≥500MHz的示波器5的探頭的一端相連，該示波器5的探頭的另一端接地。
所述的三維絕緣調(diào)整座8置于一個(gè)導(dǎo)軌9上，并可在該導(dǎo)軌9上移動(dòng)。
利用上述的測(cè)量裝置對(duì)空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量方法，包括下列步驟①激光器產(chǎn)生的激光光束1經(jīng)過(guò)第一反射鏡2和第二反射鏡3的反射改變光路后經(jīng)一聚焦透鏡4后在空氣中產(chǎn)生激光等離子體通道(a～b)；②將安裝有所述的三維絕緣調(diào)整座8的導(dǎo)軌9沿所述的激光等離子體通道a～b方向設(shè)置，調(diào)整所述的三維絕緣調(diào)整座8和所述的金屬探針7，使所述的金屬探針7的針尖與所述的激光等離子體通道a～b相接觸，接觸點(diǎn)位置稱為c處；③開(kāi)啟示波器5，該示波器5記錄并顯示金屬探針7所探測(cè)到的反映所述的激光等離子體通道a～b的電信號(hào)曲線；④改變所述的金屬探針7的針尖在所述的激光等離子體通道a～b中的位置，多次重復(fù)第③步，將獲得所述激光等離子體通道a～b上不同位置處的電信號(hào)曲線；
⑤分析所述的激光等離子體通道a～b的電信號(hào)曲線，則可以獲得激光等離子體通道中任一點(diǎn)c的激光等離子體在一定電子密度水平上的電子弛豫時(shí)間，即等離子體通道在c處的壽命。
為得到等離子體通道，這里使用摻鈦蘭寶石(Tisapphire)激光器輸出激光脈沖1，經(jīng)過(guò)第一全反射鏡2與3后，經(jīng)由聚焦透鏡4，在空氣中形成等離子體通道，該通道位于點(diǎn)a，b之間。測(cè)量裝置部分由金屬探針7、三維絕緣調(diào)整架8、導(dǎo)軌9和示波器5組成。光垃圾盒6吸收雜散光。我們從示波器中得到的電信號(hào)曲線就反映了通道中電子密度的演化。
這里，金屬探針需要與通道剛好接觸，又不至于阻斷等離子體通道的傳輸。示波器的輸入阻抗最好選擇50歐姆，以實(shí)現(xiàn)匹配。這樣，從示波器中得到的電信號(hào)的演化曲線就可以反映出等離子體通道中電子密度的演化情況了。
本發(fā)明裝置實(shí)施例的參數(shù)如下?lián)解佁m寶石(Tisapphire)激光器輸出激光脈沖1，聚焦透鏡4的焦距f＝50cm，在a與b之間形成等離子體通道，得到的等離子體通道長(zhǎng)度約為4cm。金屬探針7在c處與等離子體通道接觸。
利用導(dǎo)軌9改變金屬探針7的位置c，可以測(cè)量不同位置處的等離子體通道的壽命情況。這里，c與a的距離約為1cm。利用高頻采樣的示波器(Tektronix TDS3052 500MHz)來(lái)采集得到的電信號(hào)。示波器5中得到的信號(hào)如圖2所示。我們提取出其中的數(shù)據(jù)得到圖3中的實(shí)線a，從圖中可以清楚看到電信號(hào)的演化趨勢(shì)，這個(gè)趨勢(shì)就反映了電子密度的變化趨勢(shì)。
我們對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行了理論模擬與驗(yàn)證?？紤]到在等離子體通道產(chǎn)生后，其弛豫過(guò)程的主要機(jī)制包括了電子離子復(fù)合過(guò)程；正離子和負(fù)離子的復(fù)合過(guò)程、空氣分子的碰撞電離過(guò)程、電子被空氣中氧氣吸附的過(guò)程、氧氣的去吸附過(guò)程等等。而碰撞引起的去吸附效應(yīng)非常小，這里忽略不計(jì)。因此，有下列速率方程組，∂ne∂t=αne-ηne-βepnenp---(1)]]>∂np∂t=αne-βepnenp-βnpnnnp---(2)]]>∂nn∂t=ηne-βnpnnnp---(3)]]>碰撞電離系數(shù)α＝2.3×104s-1，吸附率η＝2.78×107s-1，βep和βnp分別為電子和正離子、負(fù)離子和正離子之間的復(fù)合系數(shù)。βep＝βnp＝3.76×10-13m3/s。所得到的模擬曲線如圖2中虛線b所示。
對(duì)比實(shí)線a和虛線b可以看到，我們得到的電信號(hào)曲線反映了等離子體通道中電子密度在1014cm-3量級(jí)上的壽命情況，以及在此期間電子數(shù)密度的演化情況。我們發(fā)現(xiàn)，得到的實(shí)驗(yàn)曲線與理論趨勢(shì)符合的很好。這說(shuō)明了本裝置不僅使用簡(jiǎn)便，而且測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確合理。這里給出的是聚焦后傳輸?shù)耐ǖ缐勖膶?shí)驗(yàn)與理論模擬對(duì)比情況。本發(fā)明裝置還可用于其他形式的傳輸實(shí)驗(yàn)中通道壽命和電子密度演化情況的測(cè)量。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明裝置具有簡(jiǎn)潔、數(shù)據(jù)采集的便捷、數(shù)據(jù)分析直觀和測(cè)量范圍更大的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置，其特征在于一根直徑≤0.5mm金屬探針(7)，由一個(gè)位于導(dǎo)軌(9)上的三維絕緣調(diào)整座(8)夾持，該金屬探針(7)的末端與帶寬≥500MHz的示波器(5)的探頭的一端相連，該示波器(5)的探頭的另一端接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置，所述的三維絕緣調(diào)整座(8)置于一個(gè)導(dǎo)軌(9)上，可在導(dǎo)軌(9)上移動(dòng)或固定。
3.利用權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置對(duì)空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量方法，其特征在于該方法包括下列步驟①激光器產(chǎn)生的激光光束(1)經(jīng)過(guò)第一反射鏡(2)和第二反射鏡(3)的反射改變光路后經(jīng)一聚焦透鏡(4)后在空氣中產(chǎn)生激光等離子體通道(a～b)；②將安裝有所述的三維絕緣調(diào)整座(8)的導(dǎo)軌(9)沿所述的激光等離子體通道(a～b)方向設(shè)置，調(diào)整所述的三維絕緣調(diào)整座(8)和所述的金屬探針(7)，使所述的金屬探針(7)的針尖與所述的激光等離子體通道(a～b)相接觸，接觸點(diǎn)位置稱為c處；③開(kāi)啟示波器(5)，所述的示波器(5)記錄并顯示了金屬探針(7)所探測(cè)到的反映所述的激光等離子體通道(a～b)的電信號(hào)曲線；④改變所述的金屬探針(7)的針尖在所述的激光等離子體通道(a～b)中的位置，多次重復(fù)第③步，將獲得所述激光等離子體通道(a～b)上不同位置處的電信號(hào)曲線；⑤分析所述的激光等離子體通道(a～b)的電信號(hào)曲線，則可以獲得激光等離子體通道(a～b)中任一點(diǎn)(c)的激光等離子體在一定電子密度水平上的電子弛豫時(shí)間，即等離子體通道在(c)處的壽命。
全文摘要
一種空氣中激光等離子體通道壽命的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，其裝置包括一根直徑≤0.5mm金屬絲即金屬探針，由一個(gè)位于導(dǎo)軌上的三維絕緣調(diào)整座夾持，該金屬探針的末端與帶寬≥500MHz的示波器的探頭的一端相連，該示波器的探頭的另一端接地。所述的三維絕緣調(diào)整座置于所述的導(dǎo)軌上可沿導(dǎo)軌上移動(dòng)。本發(fā)明該測(cè)量裝置具有簡(jiǎn)潔、數(shù)據(jù)采集的便捷、數(shù)據(jù)分析的直觀、測(cè)量范圍更大的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04B17/00GK1812290SQ200510112238
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者朱佳斌, 季忠剛, 鄧蘊(yùn)沛, 李儒新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所