CN105259361A - 一种激光等离子体产生的靶速度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光等离子体产生的靶速度测量装置，包括光源、迈克尔逊干涉仪、单摆、分束镜、光电管、示波器、电荷耦合元件和计算机，所述单摆包括靶和设其下方的细丝；所述迈克尔逊干涉仪将光源发出的光形成多束相干光，所述多束相干光经过细丝后射向分束镜；所述分束镜为半透半反镜，将探测光束分为反射光束和透射光束，其中反射光束射向光电管，光电管与示波器连接；透射光束射向电荷耦合元件，电荷耦合元件与计算机连接。还提供一种激光等离子体产生的靶速度测量方法。本发明通过将探测光束分为两束后，通过不同的检测设备实现从m/s到mm/s量级的大范围靶速度的测量，能同时满足宽范围靶速度测量的要求，使测量精度大大提高。

Description

一种激光等离子体产生的靶速度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体动量测量技术领域，特别是涉及一种激光等离子体产生的靶速度测量装置及方法。

背景技术

强激光与靶相互作用时产生超音速喷射的等离子体，根据动量守恒，在等离子体喷射的反方向产生一个作用力，该作用力可以作用一种新的推进源，这就是激光等离子体推进的基本原理。激光等离子体推进技术由于在推进比冲、发射成本、环保、安全等方面的优势，在过去的几年内获得了迅速的发展。而对于等离子体产生的动量是激光等离子体推进中首先要解决的问题，由于激光等离子体产生的动量很小，并且等离子体与物体的作用时间很短，因此如何测量该等离子体的动量，特别是动量中的速度是一个首先需要解决的问题。

对于激光等离子体的动量测量，现在的实际实验中是利用守恒原理来实现。根据动量守恒，被激光烧蚀的物体的动量即靶的动量便是等离子体的动量。对于靶动量来说，关键是得到靶的速度。目前在实验上一般采用单摆法测量，但该方法的缺点在于属于间接测量，引入误差较大。

发明人之前的研究中提出过采用多束探测光的测量装置，当靶摆过探测光后，多束探测光之间的距离与靶摆过该距离的时间比值，就是靶的速度。但该装置由于探测光间的距离在微米量级，所以只适用于靶速度比较小的情况，一般在mm/s的量级。而对于较大靶速度的测量，如m/s的情况便无法实现测量。对于单束探测光的测量装置，只适合测量较大的靶速度。因此，如何能创设一种同时测量速度较大和速度较小的宽范围的靶速度测量装置及方法，是目前该领域面临的一个问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光等离子体产生的靶速度测量装置，该装置能同时实现从m/s到mm/s的大范围靶速度的测量，从而克服现有的测量装置的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光等离子体产生的靶速度测量装置，包括光源、迈克尔逊干涉仪、单摆、分束镜、光电管、示波器、电荷耦合元件和计算机，

所述单摆包括靶和设置在靶下方的细丝；

所述迈克尔逊干涉仪用于将所述光源发出的光形成多束相干光，所述多束相干光作为探测光束，经过所述细丝后射向分束镜；

所述分束镜为半透半反镜，将所述探测光束分为反射光束和透射光束，其中，反射光束射向光电管，所述光电管与示波器连接；透射光束射向电荷耦合元件，所述电荷耦合元件与计算机连接。

作为本发明的一种改进，还包括狭缝和聚焦镜，所述狭缝和聚焦镜依次设置于所述分束镜和电荷耦合元件之间。

进一步改进，所述光源为氦氖光光源。

进一步改进，所述靶为双线悬挂摆。

本发明还提供一种激光等离子体产生的靶速度测量方法，所述方法包括：

(1)将通过所述靶的探测光束采用分束镜分为两束；

(2)其中一束光束通过光电管与示波器连接，用于记录所述靶摆过探测光束的时间信号，用靶本身的直径与所述时间值相比即求得m/s量级的靶速度；

(3)另一束光束通过电荷耦合元件与计算机连接，用于记录所述靶摆过探测光束的过程图像，根据过程图像显示的时间和靶距离变化值，求得mm/s量级的靶速度。

进一步改进，所述探测光束为通过迈克尔逊干涉仪形成的多束相干光。

进一步改进，所述靶采用双线悬挂摆结构，所述靶的下方设有细丝，所述细丝随靶摆动，且摆动时摆过所述探测光束。

进一步改进，所述射向电荷耦合元件的光束预先依次通过狭缝和聚焦镜后再射向所述电荷耦合元件。

采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：

本发明的光源和迈克尔逊干涉仪用于向单摆发出沿水平方向传播的多束相干光，该相干光通过摆动的细丝后射向分束镜，由分束镜将光束分为两束：一束光经狭缝、聚焦镜和CCD后进入计算机形成过程图像，根据图像可以显示细丝通过干涉条纹的距离，进而求得速度较小的靶速度；另一束光经光电管后，输入示波器显示时间脉冲信号，根据靶的宽度，可以获得速度较大的靶速度，所以本发明可同时满足测量宽范围的靶速度。与现有测量等离子体产生的靶速度装置相比，本发明的测量装置是操作简单、数据图像完备准确、测量精度高、测量范围大的激光等离子体靶速度测量装置。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明激光等离子体靶速度测量装置的示意图；

图2为本发明CCD记录的光强分布图；

图3为本发明示波器记录的时间信号图，其中，(a)18.75mm/s,(b)15.48mm/s,(c)10.74mm./s,(d)5.36mm/s。

具体实施方式

参照附图1所示，本发明一种激光等离子体产生的靶速度测量装置，包括光源101、迈克尔逊干涉仪102、挂有靶104和细丝105的单摆、分束镜106、光电管109、示波器108、狭缝110、聚焦镜111、电荷耦合元件(CCD)112和计算机113。

光源101为氦氖光光源，用于发出连续的、光斑直径很小的激光束，该激光束经过迈克尔逊干涉仪102后形成多条干涉条纹的相干光，作为探测光束103，探测光束103经过靶104下方的细丝105后射向分束镜106。

分束镜106为一种半透半反镜，能将射向分束镜106的探测光束103分为反射光束107和透射光束，其中，反射光束107射向光电管109，光电管109将光信号转化为电信号后输入示波器108，由示波器108记录细丝摆过探测光束103的时间信号；透射光束经过狭缝110射向聚焦镜111，经过聚焦后射向CCD，由CCD将接收到的探测光信号转化为数字信号后传入计算机113。该聚焦镜111用于汇聚通过分束镜106和狭缝110的探测光束；狭缝110用于使一部分的干涉条纹进入CCD；CCD和计算机用于记录细丝105通过干涉条纹间的过程图像。

挂有靶104和细丝105的单摆为双线单摆结构，利于消除靶的横向摆动。其中靶104为与强激光相互作用的烧蚀靶，当强激光与靶104作用时产生的等离子体给靶一个反作用力，推动靶104摆动，其下方的细丝105随靶104的摆动而摆动，用于模拟靶摆动探测光，可以消除靶的宽度对测量结果的影响。

本发明靶速度测量装置的测量原理为：由迈克尔逊干涉仪102将光源101发出的激光束形成多束相干光，作为探测光束103，该探测光束103经过分束镜106后被分为反射光束107和透射光束，反射光束107进入光电管109后由示波器108记录时间脉冲信号，取该时间脉冲信号的半高全宽值作为细丝105摆过探测光束103的时间，该细丝105本身的直径与该时间的比值即为细丝105和靶104的速度，该方法可以测量m/s量级的速度，而且速度越大，时间脉冲宽度越小，测量精度越高，如附图3所示；另外，透射光束经狭缝110、聚焦镜111和CCD112后进入计算机113形成过程图像，根据图像显示的细丝105通过干涉条纹的距离，进而求得速度较小的靶速度，该方法可以测量mm/s量级的速度。这两种方法测量的靶速度范围各有侧重，构成了宽范围的速度测量。

本发明激光等离子体靶速度测量装置的具体测量过程为：当强激光与靶104作用时，产生的等离子体会产生一反作用力，推动烧蚀靶104摆动，烧蚀靶104带动细丝105摆动，当细丝105摆过探测光束103时，计算机113会呈现出相应的过程图像，通过过程图像显示的细丝105通过相干条纹间的位置和相邻两幅数据图像间的时间宽度可以获得靶104和细丝105的速度，两者速度相同。由于CCD存在时间相应，记录的两幅数据图像间的时间为ms，所以测得的靶速度在mm/s量级上，如附图2所示。

另外，当细丝105摆过探测光束103时，在示波器108上得到关于时间的脉冲信号，取该信号的半高全宽值作为细丝105摆过探测光103的时间，该细丝105本身的直径与该时间的比值即为细丝和靶的速度，该方法可以测量m/s量级的速度，而且速度越大，时间脉冲宽度越小，测量精度越高，如附图3所示。

对于本领域的技术人员应该理解，本发明中的氦氖光光源仅作为光源，提供一束连续的、光斑直径很小的探测光束，因此其它能够提供该光束的光源也可使用。

本发明的光源和迈克尔逊干涉仪用于向单摆发出沿水平方向传播的多束相干光；相干光通过摆动的细丝，再经过分束镜后分为两束：一束光经狭缝、聚焦镜和CCD后进入计算机形成过程图像，根据过程图像的时间间隔和显示的细丝通过干涉条纹的距离，进而求得速度较小的靶速度；另一束光经光电管后，输入示波器显示时间脉冲信号，根据靶本身的宽度和得到的时间值，可以测得速度较大的靶速度。

本发明速度测量装置操作简单，数据图像完备准确，测量精度高，适用于宽范围靶速度的测量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光等离子体产生的靶速度测量装置，其特征在于，包括光源、迈克尔逊干涉仪、单摆、分束镜、光电管、示波器、电荷耦合元件和计算机，

所述单摆包括靶和设置在靶下方的细丝；

所述迈克尔逊干涉仪用于将所述光源发出的光形成多束相干光，所述多束相干光作为探测光束，经过所述细丝后射向分束镜；

所述分束镜为半透半反镜，将所述探测光束分为反射光束和透射光束，其中，反射光束射向光电管，所述光电管与示波器连接；透射光束射向电荷耦合元件，所述电荷耦合元件与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的激光等离子体产生的靶速度测量装置，其特征在于，还包括狭缝和聚焦镜，所述狭缝和聚焦镜依次设置于所述分束镜和电荷耦合元件之间。

3.根据权利要求1所述的激光等离子体产生的靶速度测量装置，其特征在于，所述光源为氦氖光光源。

4.根据权利要求1所述的激光等离子体产生的靶速度测量装置，其特征在于，所述靶为双线悬挂摆。

5.一种激光等离子体产生的靶速度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)将通过所述靶的探测光束采用分束镜分为两束；

(2)其中一束光束通过光电管与示波器连接，用于记录所述靶摆过探测光束的时间信号，用靶本身的直径与所述时间值相比即求得m/s量级的靶速度；

(3)另一束光束通过电荷耦合元件与计算机连接，用于记录所述靶摆过探测光束的过程图像，根据过程图像显示的时间和靶距离变化值，求得mm/s量级的靶速度。

6.根据权利要求5所述的激光等离子体产生的靶速度测量方法，其特征在于，所述探测光束为通过迈克尔逊干涉仪形成的多束相干光。

7.根据权利要求6所述的激光等离子体产生的靶速度测量方法，其特征在于，所述靶采用双线悬挂摆结构，所述靶的下方设有细丝，所述细丝随靶摆动，且摆动时摆过所述探测光束。

8.根据权利要求7所述的激光等离子体产生的靶速度测量方法，其特征在于，所述射向电荷耦合元件的光束预先依次通过狭缝和聚焦镜后再射向所述电荷耦合元件。