CN113341708A - 飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统 - Google Patents

飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统 Download PDF

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CN113341708A CN202110529409.2A CN202110529409A CN113341708A CN 113341708 A CN113341708 A CN 113341708A CN 202110529409 A CN202110529409 A CN 202110529409A CN 113341708 A CN113341708 A CN 113341708A
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    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统，将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，并基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论建立衍射模型；将探测到的衍射光谱与基于衍射模型得到的衍射光谱进行拟合，得到探测光相移频域演变，进而得到等离子体参数的时域演变；本发明可在单发测量内获取等离子体的时空演变过程，在测量过程中无需调节装置中的延迟线重复测量，极大地简化了操作过程，节省了测量时间，降低了测量误差，提高了检测精确度；并且，本发明只需要单次拟合衍射光谱，便可计算获取等离子体参数的时域演变，无需多次提取拟合，极大程度上提高了参数获取速度。

Description

飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统
技术领域
本发明属于等离子体参数测量领域，更具体地，涉及一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统。
背景技术
研究飞秒激光诱导等离子体是研究激光-物质相互作用机理的重要前提。飞秒激光脉冲在气体(如空气)中聚焦后，气体分子在超短的时间内吸收光子，随后以多光子电离和雪崩电离的形式进行电离，在焦点区域形成由大量自由电子、离子以及分子组成的热等离子体团簇。得益于该等离子体团簇的极端物理条件(如超高温度、压力和电子密度)，飞秒激光诱导气体电离已经广泛应用于激光引雷、激光点火、遥感以及激光高速开关等领域。并且，掌握飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的性质是研究飞秒激光烧蚀等离子体的基础。因此，准确表征飞秒激光诱导气体电离的演变过程及等离子体参数具有十分重要的意义。然而，由于气体电离过程时间短，形成的等离子体团簇尺寸小，现在市售的常规探测器无法满足测量需求。
目前对于超短脉冲激发气体电离等离子体参数的动态测量方法主要有两种。一种是干涉测量方法，其原理是使用一束探测光通过电离区域，然后与另一束参考光进行干涉，通过解析干涉条纹获取探测光的相移信息；另一种是纵向衍射测量方法，该方法相比于干涉测量方法，则不需要参考光路，一束探测光通过等离子体团簇后，在探测器上形成衍射条纹，通过理论解析该衍射条纹，来获探测光的相移信息。这两种方法均可获取探测光通过等离子体团簇后产生的相移，然后通过建立相移与等离子体参数(如电子密度和折射率)之间的映射关系，最终获取等离子体参数信息。如2005年，上海光机所的J.Liu等人提出了一种纵向衍射测量装置来测量飞秒激光诱导空气电离等离子体的电子密度和尺寸，该方法将泵浦光和探测光设置为同轴光束，使用CCD相机记录探测光经过等离子体后形成的衍射环，然后通过衍射条纹拟合来获取等离子体参数。然而，这两种方法每次测量均只能获取单一时刻下的等离子体状态。为了获取等离子体的时域演变过程，需要不断调节泵浦脉冲与探测脉冲之间的延迟时间，通过多发次脉冲实验来构建出等离子体的时域演变曲线。这种多发次脉冲测量实验极易引入系统误差，对实验系统的稳定性要求高，测量过程繁琐，并且需要多次数据处理。为了解决上述问题，在2000年，C.Y.Chien等人将啁啾脉冲与干涉测量结合，提出单发脉冲频域干涉测量方法来测量等离子体动力学，但是该方法要求精准调控脉冲之间的时序，以保证参考光束在泵浦光束之前，参考光与泵浦光在时间上的同步性。该方法光路复杂，且对光路调节提出了极高的要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统，用以解决现有技术无法简单快速精确的获取飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体参数的动态演变的技术问题。
为了解决上述目的，第一方面，本发明提供了一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法，包括以下步骤：
S1、将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)；其中，ω为衍射光谱的频率尺度，r为衍射光谱的空间尺度；皮秒激光为线性啁啾脉冲；
S2、基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论，建立衍射模型
Figure BDA0003066700520000031
Figure BDA0003066700520000032
以表征等离子体半径rp、探测光相移
Figure BDA0003066700520000033
与衍射光谱的频率尺度ω和空间尺度r之间的物理映射关系；
S3、从衍射光谱Imeas(ω,r)中随机选取一个频率尺度ω0，得到频率尺度ω0下的衍射光谱Imeas(ω0,r)，并将频率尺度ω0带入衍射模型
Figure BDA0003066700520000034
中，得到频率尺度ω0下的衍射光谱
Figure BDA0003066700520000035
将衍射光谱Imeas(ω0,r)与衍射光谱
Figure BDA0003066700520000036
进行反演拟合，得到频率尺度ω0处的等离子体半径rp0；
S4、将预设空间尺度r*和等离子体半径rp0带入衍射模型
Figure BDA0003066700520000037
Figure BDA0003066700520000038
中，得到预设空间尺度r*下的衍射光谱
Figure BDA0003066700520000039
基于衍射光谱Imeas(ω,r*)与衍射光谱
Figure BDA00030667005200000310
的相等关系，计算得到探测光相移
Figure BDA00030667005200000311
与频率尺度ω之间的映射关系，即探测光相移频域演变
Figure BDA00030667005200000312
S5、基于探测光的线性啁啾时频映射关系对探测光相移频域演变
Figure BDA00030667005200000313
进行变换，得到探测光相移时域演变
Figure BDA00030667005200000314
S6、基于等离子体参数的时域演变与探测光相移时域演变
Figure BDA00030667005200000315
之间的物理映射关系，得到等离子体参数的时域演变。
进一步优选地，皮秒激光与飞秒激光相互垂直。
进一步优选地，上述皮秒激光为高斯型线性啁啾脉冲，其表达式为：
Figure BDA00030667005200000316
其中，a为高斯参数，j为虚数标志。
进一步优选地，衍射模型
Figure BDA00030667005200000317
的表达式为：
Figure BDA0003066700520000041
其中，C为常数，J1为一阶贝塞尔函数，c为真空光速，d为等离子体与衍射光谱探测器之间的距离。
进一步优选地，探测光相移频域演变
Figure BDA0003066700520000042
的表达式为：
Figure BDA0003066700520000043
进一步优选地，步骤S1包括：以皮秒激光作为探测光，在飞秒激光未诱导气体电离的场景下，测量得到探测光光谱Imeas|0(ω,r)；在飞秒激光诱导气体电离的场景下，测量得到探测光光谱Imeas|1(ω,r)；采用差分法对探测光光谱Imeas|0(ω,r)和探测光光谱Imeas|1(ω,r)进行处理，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)。
进一步优选地，等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)的表达式为：
Imeas(ω,r)＝[Imeas|1(ω,r)-Imeas|0(ω,r)]/Imeas|0(ω,r)。
进一步优选地，预设空间尺度下的衍射光谱为衍射光谱的中央零级条纹的中心线所对应的演变光谱。
进一步优选地，等离子体参数包括等离子体自由电子密度的时域演变、等离子体区域折射率的时域演变、等离子体内部温度的时域演变和等离子体内部压力的时域演变。
第二方面，本发明提供了一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量系统，包括：
衍射光谱获取模块，用于将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)；其中，ω为衍射光谱的频率尺度，r为衍射光谱的空间尺度；皮秒激光为线性啁啾脉冲；
衍射模型构建模块，用于基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论，建立衍射模型
Figure BDA0003066700520000051
以表征等离子体半径rp、探测光相移
Figure BDA0003066700520000052
与衍射光谱的频率尺度ω和空间尺度r之间的物理映射关系；
等离子体半径计算模块，用于从衍射光谱Imeas(ω,r)中随机选取一个频率尺度ω0，得到频率尺度ω0下的衍射光谱Imeas(ω0,r)，并将频率尺度ω0带入衍射模型
Figure BDA0003066700520000053
中，得到频率尺度ω0下的衍射光谱
Figure BDA0003066700520000054
Figure BDA0003066700520000055
将衍射光谱Imeas(ω0,r)与衍射光谱
Figure BDA0003066700520000056
进行反演拟合，得到频率尺度ω0处的等离子体半径rp0；
探测光相移频域演变计算模块，用于将预设空间尺度r*和等离子体半径rp0带入衍射模型
Figure BDA0003066700520000057
中，得到预设空间尺度r*下的衍射光谱
Figure BDA0003066700520000058
基于衍射光谱Imeas(ω,r*)与衍射光谱
Figure BDA0003066700520000059
的相等关系，计算得到探测光相移
Figure BDA00030667005200000510
与频率尺度ω之间的映射关系，即探测光相移频域演变
Figure BDA00030667005200000511
探测光相移时域演变计算模块，用于基于探测光的线性啁啾时频映射关系对探测光相移频域演变
Figure BDA00030667005200000512
进行变换，得到探测光相移时域演变
Figure BDA00030667005200000513
等离子体参数的时域演变计算模块，用于基于等离子体参数的时域演变与探测光相移时域演变
Figure BDA00030667005200000514
之间的物理映射关系，得到等离子体参数的时域演变。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法，将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，并基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论建立衍射模型；将探测到的衍射光谱与基于衍射模型得到的衍射光谱进行拟合，得到探测光相移频域演变，进而得到等离子体参数的时域演变；可在单发测量内获取等离子体的时空演变过程，在测量过程中无需调节装置中的延迟线重复测量，极大地简化了操作过程，节省了测量时间，降低了测量误差，提高了检测精确度；并且，本发明只需要单次拟合衍射光谱，便可计算获取等离子体参数的时域演变，无需多次提取拟合，极大程度上提高了参数获取速度；因此本发明可以简单快速精确的获取飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体参数的动态演变。
2、本发明所提供的飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法，在获取了探测光相移时域演变
Figure BDA0003066700520000061
后，可以基于等离子体参数的时域演变与探测光相移时域演变
Figure BDA0003066700520000062
之间的物理映射关系，得到等离子体参数的时域演变；本发明可以通过建立不同等离子体参数与探测光相移之间的物理模型，获取不同的等离子体参数的时域演变，测量较为全面。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法流程框图；
图2为本发明实施例1所提供的分别采用本发明所提供测量方法和现有的多发次衍射拟合方法进行等离子体参数测量时所得的相移时域演变结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1、
一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)；其中，ω为衍射光谱的频率尺度，对应衍射光谱图像中的横轴；r为衍射光谱的空间尺度，对应衍射光谱图像中的纵轴；皮秒激光为线性啁啾脉冲；
需要说明的是，本发明对于飞秒激光诱导空气、氦气、氧气、混合气体等气体电离所得的等离子体均适用；上述气体不仅包括空气、氦气、氧气等单一气体，还包括混合气体。
具体地，本发明采用单发脉冲泵浦探测方法(优选为横向衍射法)对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测；由于飞秒激光聚焦在气体中诱导气体电离产生的等离子体尺寸微小，变化时间极快，且形状具有不稳定性，飞秒脉冲作为泵浦光激发气体电离时，使用啁啾展宽后的皮秒线性啁啾脉冲作为探测光进行探测，可以在单发测量内获取等离子体的时域演变；本实施例中，所获得的衍射光谱的覆盖时间范围约为280皮秒。优选地，皮秒激光与飞秒激光相互垂直；在皮秒激光与飞秒激光相互垂直时，探测光通过等离子体时所历经的光程计算更加方便，可以提高计算速度。
进一步地，由于等离子体的尺寸微小，且其内部充满大量自由电子，探测光在通过等离子体区域时，相位会发生变化，因此当探测光通过等离子体到达衍射光谱探测器(优选为CCD相机)上时，会形成衍射条纹。故本发明在飞秒激光未诱导气体电离的场景下，测量得到探测光光谱Imeas|0(ω,r)；在飞秒激光诱导气体电离的场景下，测量得到探测光光谱Imeas|1(ω,r)；采用差分法对探测光光谱Imeas|0(ω,r)和探测光光谱Imeas|1(ω,r)进行处理，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)。优选地，等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)的表达式为：
Imeas(ω,r)＝[Imeas|1(ω,r)-Imeas|0(ω,r)]/Imeas|0(ω,r)。
S2、基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论，建立衍射模型
Figure BDA0003066700520000081
Figure BDA0003066700520000082
以表征等离子体半径rp、探测光相移
Figure BDA0003066700520000083
与衍射光谱的频率尺度ω和空间尺度r之间的物理映射关系；
优选地，上述皮秒激光为高斯型线性啁啾脉冲，其表达式为：
Figure BDA0003066700520000084
其中，a为高斯参数，j为虚数标志。
此时，衍射模型
Figure BDA0003066700520000085
的表达式为：
Figure BDA0003066700520000086
其中，sgn(M)表示M的正负，C为比例系数，J1为一阶贝塞尔函数，c为真空光速，d为等离子体与衍射光谱探测器之间的距离。进一步地，比例系数C是根据衍射光谱的光强大小而变化的；在同一个衍射光谱下，比例系数C固定；不同的衍射光谱，比例系数C则会相应改变。
S3、从衍射光谱Imeas(ω,r)中随机选取一个频率尺度ω0，得到频率尺度ω0下的衍射光谱Imeas(ω0,r)，并将频率尺度ω0带入衍射模型
Figure BDA0003066700520000087
中，得到频率尺度ω0下的衍射光谱
Figure BDA0003066700520000088
将衍射光谱Imeas(ω0,r)与衍射光谱
Figure BDA0003066700520000089
进行反演拟合，得到频率尺度ω0处的等离子体半径rp0；
具体地，选取频率尺度ω0下实验测得的衍射条纹，即Imeas(ω0,r)，与基于衍射模型
Figure BDA00030667005200000810
所得的衍射光谱
Figure BDA00030667005200000811
进行比对拟合；具体地，衍射模型中的待求解参数仅有等离子体半径rp和探测光相移
Figure BDA0003066700520000091
因此在拟合过程中只需调整等离子体半径rp和探测光相移
Figure BDA0003066700520000092
的参数数值，便可实现拟合，最终可以得到频率尺度ω0处的等离子体半径rp0和探测光相移
Figure BDA0003066700520000093
S4、将预设空间尺度r*和等离子体半径rp0带入衍射模型
Figure BDA0003066700520000094
Figure BDA0003066700520000095
中，得到预设空间尺度r*下的衍射光谱
Figure BDA0003066700520000096
基于衍射光谱Imeas(ω,r*)与衍射光谱
Figure BDA0003066700520000097
的相等关系，计算得到探测光相移
Figure BDA0003066700520000098
与频率尺度ω之间的映射关系，即探测光相移频域演变
Figure BDA0003066700520000099
具体地，预设空间尺度r*为衍射光谱Imeas(ω,r)中的一空间尺度；优选地，预设空间尺度r*＝0，即选取衍射光谱的中央零级条纹的中心线所对应的演变光谱，计算探测光相移频域演变。
进一步地，由于气体电离形成等离子体后迅速膨胀，形成一种近似稳定的状态，具体表现为在气体电离后1纳秒范围内，等离子体的膨胀是可以忽略的，其径向尺寸是可以近似为不变的。由于本发明采用皮秒激光作为探测光，所获取的衍射光谱覆盖时间范围在皮秒级，在这个范围内，等离子体的半径是可以近似为不发生变化的，即等离子体半径rp即为频率尺度ω0处的等离子体半径rp0。故在测量得到的衍射光谱Imeas(ω,r)范围内，等离子体半径rp随时间的变化可以忽略，故上述等离子体半径rp可以视为固定值rp0，那么等离子体衍射光谱的时域变化仅由探测光相移变化引起，通过令预设空间尺度r*下测量得到的衍射光谱Imeas(ω,r*)和基于衍射模型
Figure BDA00030667005200000910
所得的衍射光谱
Figure BDA00030667005200000911
相等，从而可计算得到探测光相移频域演变
Figure BDA00030667005200000912
其表达式具有如下优选形式：
Figure BDA00030667005200000913
S5、基于探测光的线性啁啾时频映射关系对探测光相移频域演变
Figure BDA0003066700520000101
进行变换，得到探测光相移时域演变
Figure BDA0003066700520000102
优选地，探测光的线性啁啾时频映射关系为：
ω＝ω0+mt
其中，ω0表示探测光的初始光频率，m表示线性啁啾系数，t为时间变量；通过此映射关系，可直接将探测光相移频域演变
Figure BDA0003066700520000103
转换为探测光相移时域演变
Figure BDA0003066700520000104
S6、基于等离子体参数的时域演变与探测光相移时域演变
Figure BDA0003066700520000105
之间的物理映射关系，得到等离子体参数的时域演变；其中，等离子体参数包括等离子体自由电子密度的时域演变Ne(t)、等离子体区域折射率的时域演变n(t)、等离子体内部温度的时域演变以及等离子体内部压力的时域演变。
以等离子体自由电子密度的时域演变Ne(t)和等离子体区域折射率的时域演变n(t)的计算过程为例进行说明，具体地，等离子体中自由电子密度的时域演变Ne(t)和等离子体区域折射率的时域演变n(t)之间的物理关系模型为
Figure BDA0003066700520000106
可依照此物理映射关系计算等离子体自由电子密度的时域演变Ne(t)和等离子体区域折射率的时域演变n(t)。
具体地，探测光相移
Figure BDA0003066700520000107
与气体等离子体中自由电离密度Ne之间存在如下函数关系：
Figure BDA0003066700520000108
其中，ω＝ω0+mt；λ为光波长；dp为探测光通过等离子体时所历经的光程；在本实施例所采用的探测方法中，光程dp近似等于等离子直径，即dp＝2rp；Nc为临界自由电子密度，其表达式如下：
Figure BDA0003066700520000109
其中，ε0表示介电常数，me表示电子质量，e表示电子电荷。
鉴于自由电子密度在垂直于光传播方向的等离子体横截面内是均匀分布的，那么Ne仅随时间t发生改变，不随位置z发生改变。于是基于上述公式可推导出等离子体自由电子密度的时域演变Ne(t)和探测光相移时域演变之间的表达式，即：
Figure BDA0003066700520000111
进一步地，等离子体区域折射率的演变n(t)与等离子体自由电子密度的时域演变Ne(t)之间有如下表达式，
Figure BDA0003066700520000112
其中，k为气体折射率；当气体为空气时，气体折射率k取值为1；基于上述表达式，可以在得到等离子体中自由电子密度的时域演变Ne(t)之后，结合临界自由电子密度Nc，可以计算得到等离子体区域折射率的时域演变n(t)。
为了进一步说明本发明所提供的飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法的精确性，分别采用本发明所提供测量方法和现有的多发次衍射拟合方法进行等离子体参数测量；具体地，如图2所示为分别采用本发明所提供测量方法和现有的多发次衍射拟合方法进行等离子体参数测量时所得的相移时域演变结果，从图2可以看出，这两种方法所获得的相移时域演变结果具有良好的一致性，即通过本发明所提供的单次拟合方法即可达到与现有的多发次衍射拟合方法达到同样的准确性。
综上，本发明提供的飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法，可在单发测量内获取等离子体的时空演变过程，在测量过程中无需调节装置中的延迟线重复测量，极大地简化了实验操作，节省了测量时间，降低了实验结果的系统误差。本发明所提供的等离子体参数演变测量方法，只需要单次拟合衍射条纹，便可计算获取等离子体参数(如自由电子密度和折射率)的时域演变，无需多次提取拟合，极大程度上提高了参数获取速度。此外，本发明提供的参数提取方法，通过建立不同参数(如等离子体温度和压力)与探测光相移之间的物理模型，可以获取不同的等离子体参数。
实施例2、
一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量系统，包括：
衍射光谱获取模块，用于将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)；其中，ω为衍射光谱的频率尺度，r为衍射光谱的空间尺度；皮秒激光为线性啁啾脉冲；
衍射模型构建模块，用于基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论，建立衍射模型
Figure BDA0003066700520000121
以表征等离子体半径rp、探测光相移
Figure BDA0003066700520000122
与衍射光谱的频率尺度ω和空间尺度r之间的物理映射关系；
等离子体半径计算模块，用于从衍射光谱Imeas(ω,r)中随机选取一个频率尺度ω0，得到频率尺度ω0下的衍射光谱Imeas(ω0,r)，并将频率尺度ω0带入衍射模型
Figure BDA0003066700520000123
中，得到频率尺度ω0下的衍射光谱
Figure BDA0003066700520000124
Figure BDA0003066700520000125
将衍射光谱Imeas(ω0,r)与衍射光谱
Figure BDA0003066700520000126
进行反演拟合，得到频率尺度ω0处的等离子体半径rp0；
探测光相移频域演变计算模块，用于将预设空间尺度r*和等离子体半径rp0带入衍射模型
Figure BDA0003066700520000127
中，得到预设空间尺度r*下的衍射光谱
Figure BDA0003066700520000128
基于衍射光谱Imeas(ω,r*)与衍射光谱
Figure BDA0003066700520000129
的相等关系，计算得到探测光相移
Figure BDA00030667005200001210
与频率尺度ω之间的映射关系，即探测光相移频域演变
Figure BDA00030667005200001211
探测光相移时域演变计算模块，用于基于探测光的线性啁啾时频映射关系对探测光相移频域演变
Figure BDA00030667005200001212
进行变换，得到探测光相移时域演变
Figure BDA00030667005200001213
等离子体参数的时域演变计算模块，用于基于等离子体参数的时域演变与探测光相移时域演变
Figure BDA0003066700520000131
之间的物理映射关系，得到等离子体参数的时域演变。
相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)；其中，ω为衍射光谱的频率尺度，r为衍射光谱的空间尺度；所述皮秒激光为线性啁啾脉冲；
S2、基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论，建立衍射模型
Figure FDA0003066700510000011
Figure FDA0003066700510000012
以表征等离子体半径rp、探测光相移
Figure FDA0003066700510000013
与衍射光谱的频率尺度ω和空间尺度r之间的物理映射关系；
S3、从所述衍射光谱Imeas(ω,r)中随机选取一个频率尺度ω0，得到频率尺度ω0下的衍射光谱Imeas(ω0,r)，并将频率尺度ω0带入所述衍射模型
Figure FDA0003066700510000014
Figure FDA0003066700510000015
中，得到频率尺度ω0下的衍射光谱
Figure FDA0003066700510000016
将所述衍射光谱Imeas(ω0,r)与所述衍射光谱
Figure FDA0003066700510000017
进行反演拟合，得到频率尺度ω0处的等离子体半径rp0；
S4、将预设空间尺度r*和所述等离子体半径rp0带入所述衍射模型
Figure FDA0003066700510000018
中，得到预设空间尺度r*下的衍射光谱
Figure FDA0003066700510000019
基于衍射光谱Imeas(ω,r*)与所述衍射光谱
Figure FDA00030667005100000110
的相等关系，计算得到探测光相移
Figure FDA00030667005100000111
与频率尺度ω之间的映射关系，即探测光相移频域演变
Figure FDA00030667005100000112
S5、基于探测光的线性啁啾时频映射关系对所述探测光相移频域演变
Figure FDA00030667005100000113
进行变换，得到探测光相移时域演变
Figure FDA00030667005100000114
S6、基于等离子体参数的时域演变与所述探测光相移时域演变
Figure FDA00030667005100000115
之间的物理映射关系，得到等离子体参数的时域演变。
2.根据权利要求1所述的等离子体参数的测量方法，其特征在于，所述皮秒激光与所述飞秒激光相互垂直。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体参数的测量方法，其特征在于，所述皮秒激光为高斯型线性啁啾脉冲，其表达式为：
Figure FDA0003066700510000021
其中，a为高斯参数，j为虚数标志。
4.根据权利要求3所述的等离子体参数的测量方法，其特征在于，所述衍射模型
Figure FDA0003066700510000022
的表达式为：
Figure FDA0003066700510000023
其中，C为常数，J1为一阶贝塞尔函数，c为真空光速，d为等离子体与衍射光谱探测器之间的距离。
5.根据权利要求4所述的等离子体参数的测量方法，其特征在于，所述探测光相移频域演变
Figure FDA0003066700510000024
的表达式为：
Figure FDA0003066700510000025
6.根据权利要求1所述的等离子体参数的测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：以皮秒激光作为探测光，在飞秒激光未诱导气体电离的场景下，测量得到探测光光谱Imeas|0(ω,r)；在飞秒激光诱导气体电离的场景下，测量得到探测光光谱Imeas|1(ω,r)；采用差分法对所述探测光光谱Imeas|0(ω,r)和所述探测光光谱Imeas|1(ω,r)进行处理，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)。
7.根据权利要求6所述的等离子体参数的测量方法，其特征在于，所述等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)的表达式为：
Imeas(ω,r)＝[Imeas|1(ω,r)-Imeas|0(ω,r)]/Imeas|0(ω,r)。
8.根据权利要求1所述的等离子体参数的测量方法，其特征在于，所述预设空间尺度下的衍射光谱为衍射光谱的中央零级条纹的中心线所对应的演变光谱。
9.根据权利要求1所述的等离子体参数的测量方法，其特征在于，所述等离子体参数包括等离子体自由电子密度的时域演变、等离子体区域折射率的时域演变、等离子体内部温度的时域演变和等离子体内部压力的时域演变。
10.一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量系统，其特征在于，包括：
衍射光谱获取模块，用于将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，得到等离子体的衍射光谱Imeas(ω,r)；其中，ω为衍射光谱的频率尺度，r为衍射光谱的空间尺度；所述皮秒激光为线性啁啾脉冲；
衍射模型构建模块，用于基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论，建立衍射模型
Figure FDA0003066700510000031
以表征等离子体半径rp、探测光相移
Figure FDA0003066700510000032
与衍射光谱的频率尺度ω和空间尺度r之间的物理映射关系；
等离子体半径计算模块，用于从所述衍射光谱Imeas(ω,r)中随机选取一个频率尺度ω0，得到频率尺度ω0下的衍射光谱Imeas(ω0,r)，并将频率尺度ω0带入所述衍射模型
Figure FDA0003066700510000033
中，得到频率尺度ω0下的衍射光谱
Figure FDA0003066700510000034
将所述衍射光谱Imeas(ω0,r)与所述衍射光谱
Figure FDA0003066700510000035
r)进行反演拟合，得到频率尺度ω0处的等离子体半径rp0；
探测光相移频域演变计算模块，用于将预设空间尺度r*和所述等离子体半径rp0带入所述衍射模型
Figure FDA0003066700510000036
中，得到预设空间尺度r*下的衍射光谱
Figure FDA0003066700510000041
基于衍射光谱Imeas(ω,r*)与所述衍射光谱
Figure FDA0003066700510000042
的相等关系，计算得到探测光相移
Figure FDA0003066700510000043
与频率尺度ω之间的映射关系，即探测光相移频域演变
Figure FDA0003066700510000044
探测光相移时域演变计算模块，用于基于探测光的线性啁啾时频映射关系对所述探测光相移频域演变
Figure FDA0003066700510000045
进行变换，得到探测光相移时域演变
Figure FDA0003066700510000046
等离子体参数的时域演变计算模块，用于基于等离子体参数的时域演变与所述探测光相移时域演变
Figure FDA0003066700510000047
之间的物理映射关系，得到等离子体参数的时域演变。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117222090A (zh) * 2023-07-18 2023-12-12 中国人民解放军国防科技大学 可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统及方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2184826A1 (en) * 2008-11-10 2010-05-12 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Laser based lightning protection method and system
CN103091858A (zh) * 2013-01-16 2013-05-08 上海师范大学 频率线性啁啾脉冲分束与整形装置
US20130216779A1 (en) * 2012-02-16 2013-08-22 University Of Tennessee Research Foundation Nanostructures from Laser-Ablated Nanohole Templates
CN104729723A (zh) * 2013-12-20 2015-06-24 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种线性啁啾脉冲啁啾特性的测量方法
CN105466808A (zh) * 2016-01-13 2016-04-06 中国计量学院 一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器
CN106385115A (zh) * 2016-10-21 2017-02-08 河南工程学院 一种基于飞秒激光的无线输电方法及电能传输装置
CN108174503A (zh) * 2017-12-15 2018-06-15 中国科学院上海光学精密机械研究所 激光等离子体电子密度测量装置及测量方法
CN109848565A (zh) * 2019-04-02 2019-06-07 西安交通大学 基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法及系统
CN112505001A (zh) * 2020-11-25 2021-03-16 华中科技大学 一种飞秒激光加载下透明材料动态测量装置及方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2184826A1 (en) * 2008-11-10 2010-05-12 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Laser based lightning protection method and system
US20130216779A1 (en) * 2012-02-16 2013-08-22 University Of Tennessee Research Foundation Nanostructures from Laser-Ablated Nanohole Templates
CN103091858A (zh) * 2013-01-16 2013-05-08 上海师范大学 频率线性啁啾脉冲分束与整形装置
CN104729723A (zh) * 2013-12-20 2015-06-24 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种线性啁啾脉冲啁啾特性的测量方法
CN105466808A (zh) * 2016-01-13 2016-04-06 中国计量学院 一种基于图像分析和表面等离子体共振的液体折射率光纤传感器
CN106385115A (zh) * 2016-10-21 2017-02-08 河南工程学院 一种基于飞秒激光的无线输电方法及电能传输装置
CN108174503A (zh) * 2017-12-15 2018-06-15 中国科学院上海光学精密机械研究所 激光等离子体电子密度测量装置及测量方法
CN109848565A (zh) * 2019-04-02 2019-06-07 西安交通大学 基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法及系统
CN112505001A (zh) * 2020-11-25 2021-03-16 华中科技大学 一种飞秒激光加载下透明材料动态测量装置及方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DEZHI TAN: "Femtosecond laser induced phenomena in transparent solid materials: Fundamentals and applications", 《PROGRESS IN MATERIALS SCIENCE》 *
S. M. EATON: "11: Thermal writing of photonic devices in glass and polymers by femtosecond lasers", 《LASER GROWTH AND PROCESSING OF PHOTONIC DEVICES》 *
刘佳敏: "Characterization of dielectric function for metallic thin films based on ellipsometric parameters and reflectivity", 《PHYSICA SCRIPTA》 *
江浩: "基于Mueller矩阵成像椭偏仪的纳米结构几何参数大面积测量", 《物理学报》 *
王本义: "随机抽样和随机散射光场的衍射特性及其在波前测量和波前调控中的应用研究", 《中国优秀博士学位论文全文库 基础科学辑》 *
邓中朝: "HL-2A 装置电子密度多道干涉测量实验系统", 《核聚变与等离子体物理》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117222090A (zh) * 2023-07-18 2023-12-12 中国人民解放军国防科技大学 可调节高空间分辨率的平面等离子体速度测量系统及方法

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