CN106604511B - 一种测量高密度等离子体运动速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量高密度等离子体运动速度的方法，基于光在高密度梯度的等离子体边界发生折射的原理，设计光学系统产生两束呈小角度入射的光束；这两束光束方向垂直于等离子体边界的运动方向，采用4f系统成像，在第一个透镜的焦点实现两束光束即第一光束与延时光束分离；在进行速度测量时，第一光束部分光线在高速运动的等离子体边界处发生偏折，进入延时光束所在光学系统，在相机上呈现出对应时刻等离子体边界的像，延时光束经延时后将其对应时刻等离子体的形状位置呈现在相机上，在阴影图像中即可获取对应间隔时刻的等离子体边界的平均运动速度。本发明通过激光阴影系统有效获取高速运动的等离子体边界的速度，结果合理且准确。

Description

一种测量高密度等离子体运动速度的方法

技术领域

本发明涉及一种根据激光阴影成像原理，用于高密度等离子体运动速度测量的方法。

背景技术

激光阴影成像广泛用于脉冲放电等离子体、高能激光与物质相互作用、激波物理以及天体物理学等相关研究中，一般与激光纹影、干涉手段联合对上述过程进行光学诊断，获得清晰的物理图像，阴影成像法可以直观地反映探测区域的形状、位置及不稳定性发展等定性的信息。其基本成像原理如图1所示，将被测物体置于透镜a的焦点上，透镜b与透镜a共焦点，这样阴影成像在透镜b的另一焦点上，图像大小之比即为焦距之比。

在高功率Z箍缩研究中，气体或者金属丝阵、套筒等在大电流下(兆安级)形成等离子体并向中心聚爆的，最终在中心轴线滞止产生X射线。Z箍缩的早期演化过程产生高温高密度且快速运动等离子体，获取等离子体的密度、壳层的运动速度对于Z箍缩磁流体力学的模拟具有非常重要的意义。对于Z箍缩这样的快过程，常用脉冲激光(亚ns)建成光学诊断平台获取等离子体的密度与运动速度以及不稳定性的发展等信息，2000年以来以美国圣地亚实验室的Z装置为代表的大型脉冲功率装置上均建立了较为完备的激光诊断手段。

激光阴影通常用来直观反映Z箍缩融蚀流以及内爆过程，为了获取高密度等离子体边界的运动速度，须采用至少两分幅阴影诊断，然后根据成像比例将两幅图像进行后处理并作对比，这样的方法增加了透镜以及CCD相机等电子设备和时间同步环节，而且不够直观。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量高密度等离子体运动速度的方法和光学系统，采用阴影成像并通过光路设计更为直观准确地获取高密度等离子体边界的运动速度。

本发明基于光在高密度梯度的等离子体边界发生折射的原理，设计光学系统产生两束呈小角度(偏差很小)入射的光束；这两束光束方向垂直于等离子体边界的运动方向，采用4f系统成像，在第一个透镜的焦点实现两束光束即第一光束与延时光束分离；在进行速度测量时，第一光束部分光线在高速运动的等离子体边界处发生偏折，进入延时光束所在光学系统，从而在相机上呈现出对应时刻等离子体边界的像，延时光束经延时后将其对应时刻等离子体的形状位置呈现在相机上，从而在阴影图像中即可获取对应间隔时刻的等离子体边界的平均运动速度。

本发明的技术解决方案是提供一种测量高密度等离子体运动速度的方法，包括以下步骤：

1)将激光器产生的光束分成第一光束和经过延时的延时光束；上述第一光束和延时光束之间的夹角与光束穿过等离子体的偏转角度相当；

2)上述第一光束垂直经过高速运动的等离子体边界A位置发生偏折形成散射光，上述散射光经过透镜聚焦、反射、扩束后成像；

上述延时光束延时后经过高速运动的等离子体边界B位置，再经过步骤2)中的透镜聚焦、反射、扩束成阴影像；

相机记录A位置和B位置的信息分别为A’和B’，按下式计算等离子体运动速度：

式中V为等离子体运动速度，l_A→B为A位置和B位置的距离，t_延时为第一光束与延时光束的延时时间。

本发明还提供一种测量高密度等离子体运动速度的光学系统，其特殊之处在于：包括沿激光器出射端依次设置的光路延时单元、第一透镜，所述激光器产生的光束通过光路延时单元分成两束光，上述两束光之间有夹角；

还包括反射镜、依次位于反射镜反射光路上的第三透镜和相机，上述反射镜设置于被延时光束经过第一透镜聚焦的焦点上即第三透镜的焦点上。

优选的，上述光路延时单元包括第一分光镜，依次设置在第一分光镜透射光路上的第一反射镜、第四透镜、第五透镜、第二分光镜，光束通过第一反射镜反射进入第四透镜、第五透镜扩束后形成平行光，平行光束透过第二分光镜；还包括依次设置在第一分光镜反射光路上的多个第二反射镜、第六透镜、第七透镜，光束经过多个第二反射镜形成延时光束，延时光束再经过第六透镜、第七透镜的扩束后经过第二分光镜反射。

上述激光器为亚纳秒脉冲激光器。

本发明还提供另外一种测量高密度等离子体运动速度的光学方法，控制两台激光器先后产生两束光束，分别为第一光束和经过延时的延时光束，上述两束光之间的夹角与光束穿过等离子体的偏转角度相当；

第一光束垂直经过高速运动的等离子体边界A位置发生偏折形成散射光，上述散射光经过透镜聚焦、反射、扩束后成像；

上述延时光束延时后经过高速运动的等离子体边界B位置，再经过步骤2)中的透镜聚焦、反射、扩束成阴影像；

相机记录A位置和B位置的信息分别为A’和B’，按下式计算等离子体运动速度：

式中V为等离子体运动速度，l_A→B为A位置和B位置的距离，t_延时为第一光束与延时光束的延时时间。式中l_A→B为位置A和位置B的实际距离，通过测量图像中位置A和位置B的距离，除以图像的放大倍数，获取实际间距。

本发明还提供另外一种测量高密度等离子体运动速度的系统，其特殊之处在于：包括两台激光器、沿激光器出射端设置的第一透镜，上述两台激光器先后产生两束光束，分别为第一光束和延时光束，上述两束光束之间有夹角；

还包括反射镜、依次位于反射镜反射光路上的第三透镜和相机，上述反射镜设置于延时光束经过第一透镜聚焦的焦点上即第三透镜的焦点上。

上述激光器为亚纳秒脉冲激光器。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过激光阴影系统有效获取高速运动的等离子体边界的速度，结果合理且准确。

2、本发明的光路系统原理简单，易于实现，根据不同实验需求便于调整。

3、本发明通过光路延时产生两束呈小角度的光束，在成像时实现了两束光的有效分离。

4、本发明巧妙地利用光在密度梯度较大的等离子体边界发生偏折的原理，采用一台相机先后获取两束光的边界信息，非常直观地给出等离子体边界的运动速度。

附图说明

图1阴影成像基本光路原理图；

图2通过光路延迟产生具有时间延时的两路小角度激光；

图3两路激光光束分离与成像系统；

图4高速运动的等离子体边界速度测量示意图；

图5外爆型薄膜Z箍缩负载结构连接图；

图6“强光一号”外爆型薄膜负载实验前阴影图像；

图7实验中获得的外爆型薄膜负载等离子体边界的运动图像；

图8主电流脉冲与激光的关联时刻。

图中附图标记为：1-激光器，2-第一分光镜，3-第一反射镜，4-第四透镜，5-第五透镜，6-第二分光镜，7-第二反射镜，8-第三反射镜，9-第四反射镜，10-第六透镜，11-第七透镜，12-第一透镜，14-反射镜，15-第三透镜，16-相机。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

如图2所示，将亚纳秒脉冲激光器产生的光束通过光路延时设计分成两束光，并形成一定的微小角度(主要便于后续光束的分离)：激光光束经第一分光镜2分成两束光，第一光束经过双透镜(第四透镜4、第五透镜5)扩束后形成平行光，扩束比例由两个透镜的焦距比例决定，平行光束透过第二分光镜6用于成像；延时光束经过第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜9的光路延时后(延时时间可以通过距离进行调整)，再通过第六透镜10、第七透镜11进行扩束，扩束后的光斑大小同第一束光相同，之后再经过第二分光镜6反射用于成像，两束光呈一定小角度入射(在实验室条件许可的情况下，可选用两台激光器产生两个光束，光束时间间隔可以通过调整激光器的触发延时来实现，较上述采用分光的方法简化了最初的光路系统)。

一束准直的激光束沿x方向入射等离子体，等离子体折射率分布为n_r(x,z)，则光线穿过等离子体后，在z方向上的偏转角度θ_z可写为：

l是光线在等离子体中传播的长度，当电子密度小于截止密度的三分之一时(此条件在激光探针应用中总可以满足)，n_r可近似写为：代入有：

由式(2)可见，激光穿过等离子体之后的偏折角度实际上是等离子体密度梯度直接作用的结果。对于Z箍缩产生的高密度熔蚀等离子体，在其边界处有很大的密度梯度，一般情况下，在亚毫米范围内的电子密度n_e介于0～10¹⁹cm^-3之间，假定光在等离子体中的传播长度l为毫米量级，则因此，调整两束光的夹角与上述θ_z相当。

图3所示为两束激光分离与成像系统，成像原理与图1描述相同，由于两束光存在一定微小角度，经第一透镜12聚焦后，焦点会分开，延时光束通过反射镜14反射再经第三透镜15成像到相机上，同时不影响第一光束的继续传播。图4所示为将该系统用于高速运动的等离子体边界速度测量的示意图，第一光束经过高速运动的等离子体边界时，由于边界处的密度梯度较大，光线会发生偏折，偏折的一部分光中与延时光束方向相同的光同样到达反射镜14，再经第三透镜15首先成像到相机上，边界位置A便被记录下来；经过光路延时t的延时光束到达物点位置时，等离子体边界已经运动了一段距离，达到位置B，延时光束经反射镜14和第三透镜15将此时的边界位置B也成像到相机上，对于一定厚度的高密度等离子体，光束无法穿过，所以第一光束所成等离子体边界的像恰好位于延时光束所成像的阴影里，这样相机就捕获到了等离子体的两个位置信息，等离子体的运动速度V即为A、B之间的距离与光束延时t的比：

式中l_A→B为位置A和位置B的实际距离，通过测量图像中位置A和位置B的距离，除以图像的放大倍数，获取实际间距。

在国内强脉冲辐射模拟与效应国家重点实验室的“强光一号”装置上开展的外爆型薄膜Z箍缩实验中，首次利用上述光学系统和方法获得了外爆型薄膜负载等离子体的运动图像，根据图像信息测出了不同时刻薄膜边界等离子体的平均运动速度，取得了良好的实用效果。

本发明的光学系统及方法在“强光一号”装置上的具体实施过程如下：

1、根据“强光一号”装置布局设计并搭建光路系统，遵照图2所示光路设计，使时延的两束光具有一定的微小角度。激光器为实验室用Nd:YAG脉冲式激光器，探测光波长选用二倍频532nm波长的光，两束光的延时可以通过光路的长短进行调整。

2、外爆型薄膜负载结构以及与装置的连接情况如图5所示。实箭头方向为电流流向，虚箭头则指向薄膜运动的方向(受力方向)，光束垂直于二者所决定的平面入射(光束1和2角度较小，均可视为垂直入射)，图6所示为实验前外爆型薄膜负载的阴影图像。

3、采用美国THORLABS公司的硅光探测器监测两束激光，并同“强光一号”装置的主电流脉冲进行关联。

4、由于“强光一号”装置放电有较大的电磁干扰，实验前须对激光器、硅光探测器以及相机做好电磁屏蔽，防止激光器被干扰信号误触发而无法获取主电流脉冲期间的外爆型负载的运动图像。

5、实验前设置好激光器的触发延时以获取目标时刻的等离子体运动图像，实验后根据获得的阴影图像即可获取对应时刻时间延时内的薄膜边界等离子体的平均运动速度。图7所示为实验获得的激光阴影图像，激光对应于主电流后～110ns，主电流脉冲与第一束激光的关联时刻如图8所示。

实验前测得第一光束和延时光束的时间间隔为15ns，图7中位置A为第一光束形成的等离子体边界的像，位置B为延时光束形成的等离子体边界的像，A、B之间的距离为0.92mm，因此电流起始后110ns到125ns之间等离子体边界的运动速度为

调整激光脉冲与主电流脉冲的时间关联可以获得对应间隔时刻的等离子体边界的平均运动速度，两束光的实验延时可以进行调整以获取不同时间间隔内等离子边界的平均运动速度。

Claims (4)

1.一种测量高密度等离子体运动速度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将激光器产生的光束分成第一光束和经过延时的延时光束；所述第一光束和延时光束之间的夹角与光束穿过等离子体的偏转角度相当；

当电子密度小于截止密度的三分之一时，光束穿过等离子体的偏转角度θ_z为：

其中，n_r(x，z)为等离子体折射率分布，l为光在等离子体中的传播长度；

2)所述第一光束垂直经过高速运动的等离子体边界A位置发生偏折形成散射光，所述散射光经过透镜聚焦、反射、扩束后成像；

所述延时光束延时后经过高速运动的等离子体边界B位置，再经过步骤2)中的透镜聚焦、反射、扩束成阴影像；

相机记录A位置和B位置的信息分别为A’和B’，按下式计算等离子体运动速度：

式中V为等离子体运动速度，l_A→B为A位置和B位置的距离，t_延时为第一光束与延时光束的延时时间。

2.根据权利要求1所述的测量高密度等离子体运动速度的方法，其特征在于：所述激光器为亚纳秒脉冲激光器。

3.一种测量高密度等离子体运动速度的光学方法，其特征在于：控制两台激光器先后产生两束光束，分别为第一光束和经过延时的延时光束，所述两束光之间的夹角与光束穿过等离子体的偏转角度相当；

当电子密度小于截止密度的三分之一时，光束穿过等离子体的偏转角度θ_z为：

其中，n_r(x，z)为等离子体折射率分布，l为光在等离子体中的传播长度；

第一光束垂直经过高速运动的等离子体边界A位置发生偏折形成散射光，所述散射光经过透镜聚焦、反射、扩束后成像；

所述延时光束延时后经过高速运动的等离子体边界B位置，再经过步骤2)中的透镜聚焦、反射、扩束成阴影像；

相机记录A位置和B位置的信息分别为A’和B’，按下式计算等离子体运动速度：

式中V为等离子体运动速度，l_A→B为A位置和B位置的距离，t_延时为第一光束与延时光束的延时时间。

4.根据权利要求3所述的测量高密度等离子体运动速度的光学方法，其特征在于：所述激光器为亚纳秒脉冲激光器。