CN108872716A - 外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，属于等离子体技术领域。该装置包括由YAG激光器、聚焦透镜组成的入射单元，由半波片、格兰棱镜构成的能量改变系统，由延时触发器组成的时间控制系统以及由探测天线和频谱分析仪组成的信号探测系统。本装置结构简单，易于实现，而且可以显著增强微波辐射信号强度，增加微波辐射频率成分，本发明将有望应用于探地雷达等技术领域。

Description

外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射装置和方法
技术领域
本发明涉及一种利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，属于等离子体技术领域，有望应用于探地雷达等技术领域。
背景技术
近年来，特别是频率为30MHz到30GHz的微波，由于其在大气中传输时受云层、雨雪、粉尘和其他不利天气因素的干扰很小，并且频率较高，信息容量巨大，被广泛应用于通信、导航、雷达等各个领域；而且由于其与物质作用具有的特殊效应而备受关注，如快速加热食品，对受辐照的电子学系统进行干扰和破坏等，这使得微波在民用及军事领域应用广泛。
激光与空气相互作用产生的等离子体可辐射频率为30MHz—1GHz的微波辐射[Applied Physics Letters,2014,105(6):064102]，激光诱导空气等离子体作为一种新型微波源具有很多优点，如可以控制其产生时间、位置等。因此这种微波源具有很多潜在的应用价值。但是空气等离子体辐射的微波信号强度相对较弱、频谱成分较少，这将大大限制其在实际中的应用。
本发明提出利用外加磁场来增强激光诱导空气等离子体微波辐射，该发明结构简单，易于实现，而且可以显著增强微波辐射信号强度，增加微波辐射频率成分。
发明内容
为了解决激光诱导产生的空气等离子体的微波辐射(频率范围30MHz—1GHz)信号较弱，频率成分较少的问题，本发明提供了一种利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，包括纳秒激光器1、半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4、外加磁场5、探测天线6、频谱分析仪7、延时触发器8；其中纳秒激光器1在其输出光束的光轴上依次与半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4和外加磁场5链接；频谱分析仪7与探测天线6链接；延时触发器8分别与纳秒激光器1、频谱分析仪7链接。
纳秒激光器1采用的是中心波长532nm、脉宽10ns、重复频率10Hz、光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器。
由半波片2、格兰棱镜3构成的能量改变系统，用来改变激光的脉冲能量。
由探测天线6和频谱分析仪7组成的信号探测系统，用来探测激光诱导空气等离子的微波辐射信号(频率范围30MHz—1GHz)。
利用Stanford Research System公司的一台数字延时触发器DG645,控制纳秒激光和频谱分析仪之间的延时，保证激光诱导空气等离子体的产生时间和频谱分析仪的探测时间的同步性。
利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的过程如下：
由上述的纳秒激光器1发出的脉冲激光，通过半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4在空气中产生等离子体。将磁场以与激光诱导产生空气等离子体的方向垂直放置，并保证产生的空气等离子体在磁场中间位置。产生的微波辐射信号由探测天线6和频谱分析仪7进行探测，最后数据导出到计算机进行处理和分析。
附图说明
图1是本发明利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置结构图；
图2是本发明装置及方法下获得的空气等离子体辐射的微波信号在有无磁场下的频谱图；
图3是本发明利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法的流程图；
具体实施方式
本发明是一种利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，如图1所示为该发明装置图，包括纳秒激光器1、半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4、外加磁场5、探测天线6、频谱分析仪7、延时触发器8；
纳秒激光器1采用的是中心波长532nm、脉宽10ns、重复频率10Hz、光斑直径8mm的调QNd：YAG激光器，其产生的纳秒激光脉冲经过半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4产生空气等离子体。
由半波片2、格兰棱镜3构成的能量改变系统，用来改变脉冲激光的能量。
由探测天线6和频谱分析仪7组成的信号探测系统，用来探测激光诱导空气等离子的微波辐射信号(频率范围30MHz—1GHz)。
利用Stanford Research System公司的一台数字延时触发器DG645,控制纳秒激光和频谱分析仪之间的延时，保证激光诱导空气等离子体的产生时间和频谱分析仪的探测时间的同步性。
所述的操作流程如图3所示。结合硬件操作流程并说明本发明的操作步骤如下：
执行步骤9，开始，装置自检；自检正常，执行步骤10；
执行步骤10，开启延时触发器8，利用信号探测系统采集背景辐射信号；
执行步骤11，开启纳秒激光器1，产生纳秒激光脉冲，经过能量改变系统，形成激光诱导空气等离子体；
执行步骤12，同时将磁场以垂直激光诱导空气等离子体的方向放置，并保证产生的空气等离子体在磁场中间位置；
执行步骤13，同时开启探测天线6和频谱分析仪7组成的信号探测系统，探测激光诱导空气等离子的微波辐射信号，然后将数据传递给计算机，通过计算机处理得到激光诱导空气等离子体微波辐射的频谱图；
执行步骤14，结束。
本发明数据获取及处理过程如下：
为了增加数据的可靠性，首先开启延时触发器，利用信号探测系统采集背景辐射信号，然后开启纳秒激光器，利用信号探测系统得到激光诱导空气等离子体微波辐射信号，第二次得到的微波辐射信号减去背景辐射信号得到激光诱导空气等离子体微波辐射信号的实际值。
最后，根据由频谱仪给出激光诱导空气等离子体的微波辐射信号的实际电压值U，考虑探测系统的阻抗R，由功率P＝U2/R得到微波辐射的功率信息。

Claims (6)

1.利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，包括纳秒激光器1、半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4、外加磁场5、探测天线6、频谱分析仪7、延时触发器8；其中纳秒激光器1在其输出光束的光轴上依次与半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4和外加磁场5链接；频谱分析仪7与探测天线6链接；延时触发器8分别与纳秒激光器1、频谱分析仪7链接。
纳秒激光器1采用的是中心波长532nm、脉宽10ns、重复频率10Hz、光斑直径8mm的调QNd：YAG激光器，，其产生的纳秒激光脉冲经过半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4产生激光诱导空气等离子体。
由半波片2、格兰棱镜3构成的能量改变系统，用来改变脉冲激光的能量。
由探测天线6和频谱分析仪7组成的信号探测系统，用来探测激光诱导空气等离子的微波辐射信号(频率范围30MHz—1GHz)。
利用Stanford Research System公司的一台数字延时触发器DG645,控制纳秒激光和频谱分析之间的延时，保证激光诱导空气等离子体的产生时间和频谱分析仪的探测时间的同步性。
将磁场以与激光诱导产生空气等离子体的方向垂直放置，并保证产生的空气等离子体在磁场中间位置。产生的微波辐射信号由探测天线6和频谱分析仪7进行探测，最后数据导出到计算机进行处理和分析。
为了增加数据的可靠性，首先开启延时触发器，利用信号探测系统采集背景辐射信号，然后开启纳秒激光器，利用信号探测系统得到激光诱导空气等离子体微波辐射信号，第二次得到的微波辐射信号减去背景辐射信号得到激光诱导空气等离子体微波辐射信号的实际值。
最后，根据由频谱仪给出激光诱导空气等离子体的微波辐射信号辐射信号的实际电压值U，考虑探测系统的阻抗R，由功率P＝U2/R得到微波辐射的功率信息。
2.根据权利要求1所述利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，其特征在于纳秒激光器1采用的是中心波长532nm、脉宽10ns、重复频率10Hz、光斑直径8mm的调Q Nd：YAG激光器，其产生的纳秒激光脉冲经过半波片2、格兰棱镜3、聚焦透镜4产生激光诱导空气等离子体。
3.根据权利要求1所述利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，其特征在于利用外加磁场，将磁场以与激光诱导产生空气等离子体的方向垂直放置，并保证产生的空气等离子体在磁场中间位置。
4.根据权利要求1所述利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，其特征在于激光诱导空气等离子的微波辐射信号的频率范围为30MHz—1GHz。
5.根据权利要求1所述利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，其特征在于利用Stanford Research System公司的一台数字延时触发器DG645,控制纳秒激光和频谱分析之间的延时，保证激光诱导空气等离子体的产生时间和频谱分析仪的探测时间的同步性。
6.根据权利要求1所述利用外加磁场增强激光诱导空气等离子体微波辐射的装置和方法，其特征在于首先开启延时触发器，利用信号探测系统采集背景辐射信号，然后开启纳秒激光器，利用信号探测系统得到激光诱导空气等离子体微波辐射信号，第二次得到的微波辐射信号减去背景辐射信号得到激光诱导空气等离子体微波辐射信号的实际值。由频谱仪给出激光诱导空气等离子体的微波辐射信号的实际电压值U，考虑探测系统的阻抗R，由功率P＝U2/R得到微波辐射的功率信息。
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