CN114609088A - 一种激光等离子体三波长干涉诊断装置及其调节方法 - Google Patents

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张宏超
武子凤
陆健
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Abstract

本发明公开了一种激光等离子体三波长干涉诊断装置及其调节方法。装置包括探测光源系统、等离子体激励系统、探测光路系统以及接收系统，将激光激励装置产生的激光等离子体置于马赫—曾德尔干涉装置的探测光路中，探测光源装置产生的白色脉冲光源作为探测光，马赫—曾德尔干涉仪将探测光分为两束，一束穿过激光等离子体区域，另外一束作为参考光，两束光经过马赫—曾德尔干涉仪后相遇，接收系统包括RGB滤光光栅和彩色CCD，相遇后的光通过RGB滤光光栅分为三束不同波长的光，形成三幅干涉条纹图。该装置能够同时获得三幅携带激光等离子体相位信息的干涉条纹图，获取更多的数据图，使结果更加精确、有效且全面。

Description

一种激光等离子体三波长干涉诊断装置及其调节方法
技术领域
本发明属于激光等离子体诊断技术领域，涉及激光等离子体参数诊断技术，特别是涉及一种激光等离子体三波长干涉诊断装置及其调节方法。
背景技术
激光等离子体的诊断技术主要对等离子体参数如等离子体温度、等离子体密度、电子能量分布函数、离子能量、各种离子与激发基团等进行诊断，它们影响着等离子体与材料相互作用的物理、化学过程，决定了最终材料的结构和性能。目前比较常用的诊断技术可以分为离位技术和原位技术两大类。离位技术是将反应器中的等离子体取样引出，然后再用仪器检测，主要有电子顺磁共振。原位技术包括侵入式和非侵入式方法。侵入式诊断技术对等离子体有扰动，如朗缪尔探针技术；非侵入式诊断技术又分为干涉诊断和非干涉诊断，非干涉探测包括光学阴影法、纹影法、高速摄影法、光谱法等。
在现有的诊断技术中，激光干涉法具有纳秒级时间分辨率、微米级空间分辨率，能够观察到等离子体内部精细结构，获得等离子体电子密度、电子温度、扩散速度、等离子体形貌特征等丰富参数，基于等离子体轴对称分布还能获得等离子体电子密度的三维分布，是诊断等离子体强有力的手段。激光干涉诊断方法主要利用探测光束通过流场时引起的折射率的变化和等离子体的吸收情况来反映等离子体场的性质，可以从干涉条纹的偏移量计算出等离子体中的电子密度、电离度、温度和压力等参数及其分布。这种方法通过一次曝光可以获得整个场的分布情况，能够再现激光等离子体的瞬态发展变化过程。但是目前激光干涉诊断技术系统有较强的信号干扰，需要进一步改进干涉系统，降低系统噪声，过滤掉信号扰动，提高激光干涉诊断系统的分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光等离子体三波长干涉诊断装置及其调节方法，通过三波长干涉提高携带激光等离子体相位信息的干涉条纹图的质量，进而提升激光等离子体参数的测量精度。
本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种激光等离子体三波长干涉诊断装置，该装置由探测光源系统、激光等离子体激发系统、干涉光路系统以及接收系统构成。
作为优选，所述的探测光源系统包括第一激光器、第一聚焦透镜、凹面反射镜以及第二聚焦透镜，沿第一激光器输出的激光光源方向为第一聚焦透镜，在第一激光器输出的激光束垂直方向上，从左到右依次为凹面反射镜、激光通过聚焦透镜击穿空气产生的激光等离子体、第二聚焦透镜，其中第一聚焦透镜、凹面反射镜与第二聚焦透镜的焦点位于同一位置，激光通过聚焦透镜聚焦在空气中，在焦点区域引起光学击穿，产生激光等离子体，伴随着产生的白闪光作为探测光源，经过第二聚焦透镜进入到干涉光路系统中。
作为优选，所述的激光等离子体激发系统由第二激光器、第三聚焦透镜组成，沿第二激光器输出的激光光源方向为第三聚焦透镜，第二激光器通过第三聚焦透镜聚焦在焦点上，产生的激光等离子体作为待测激光等离子体，其中第三聚焦透镜的一个焦点位于第一平面分束镜与第一平面反射镜所在的测量光路中。
作为优选，干涉光路系统是由第一平面分束镜、第一平面反射镜、第二平面分束镜以及第二平面反射镜组成的马赫—曾德尔干涉仪，待测激光等离子体位于第一平面分束镜与第一平面反射镜所在的测量光路中，探测光源经过第一平面分束镜分为两束光，一束经过待测激光等离子体、第一平面反射镜、第二平面分束镜作为测量光；另一束经过第二平面反射镜、第二平面分束镜作为参考光，参考光与测量光经过第二平面分束镜后再次相遇，合成一束光进入接收系统。
作为优选，所述接收系统由第四聚焦透镜、RGB滤光光阑、彩色CCD组成。干涉光路系统出来的光通过第四聚焦透镜和RGB滤光光阑，形成携带激光等离子体相位信息的三束相干光，随后三束相干光进入彩色CCD中，彩色CCD与电脑相连，实时的显示出干涉条纹图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本申请的装置可以应用到激光等离子体干涉诊断技术中，能够得到携带激光等离子体相位信息的干涉图像，且本装置采用白色脉冲光源作为探测光源，经过干涉系统以及RGB滤光光阑后可以形成三幅同时携带激光等离子体相位信息的干涉图，获取更多的数据图，使结果更加精确、有效且全面；
2.传统的激光等离子体干涉装置存在较强的系统噪声，而本装置利用激光等离子体产生过程的白闪光作为探测光源，有效避免了传统干涉装置中激光器作为探测光源时的光源噪声，所述接收系统中RGB滤光光阑通过滤波，有效消除周围环境噪声的影响；
3.本申请的装置结构简单、应用范围广泛、可调节性高。
附图说明
图1是本发明的探测光源系统装置示意图。其中1为第一激光器，2为第一聚焦透镜，3为凹面反射镜，4为第二聚焦透镜。
图2是本发明激光等离子体三波长干涉诊断装置整体示意图。其中5为图1探测光源系统装置所产生的探测光源，6为第二激光器，7为第三聚焦透镜，P1、P2分别为第一平面分束镜和第二平面分束镜，M1、M2分别为第一平面反射镜和第平面二反射镜，8为第四聚焦透镜，9为RGB滤光光阑，10为彩色CCD。
具体实施方式
下面结合本发明的附图和实例对其具体实施方式作进一步详细描述：
一种激光等离子体三波长干涉诊断装置，包括探测光源系统、激光等离子体激发系统、干涉光路系统以及接收系统，所述探测光源系统用于产生探测光源，所述激光等离子体激发系统用于产生待测激光等离子体，所述干涉光路系统用于接收所述探测光源，所述接收系统用于产生携带激光等离子体相位信息的三束相干光；
所述干涉光路系统包括第一平面分束镜P1、第一平面反射镜M1、第二平面分束镜P2以及第二平面反射镜M2，所述探测光源经过第一平面分束镜P1分为两束光，一束经过所述待测激光等离子体、第一平面反射镜M1、第二平面分束镜P2作为测量光；另一束经过第二平面反射镜M2、第二平面分束镜P2作为参考光，参考光与测量光经过第二平面分束镜P2后再次相遇，合成一束光进入接收系统；
所述接收系统包括第四聚焦透镜8、RGB滤光光阑9、彩色CCD10，所述干涉光路系统出来的光通过第四聚焦透镜8和RGB滤光光阑9，形成携带激光等离子体相位信息的三束相干光，随后所述三束相干光进入彩色CCD10，彩色CCD与电脑相连，实时的显示出干涉条纹图像。
进一步地，所述探测光源系统包括第一激光器1、第一聚焦透镜2、凹面反射镜3以及第二聚焦透镜4，所述第一聚焦透镜2、凹面反射镜3与第二聚焦透镜4焦点位于同一位置，沿第一激光器1输出的激光光源方向为第一聚焦透镜2，在第一激光器1输出的激光束垂直方向上，从左到右依次为凹面反射镜3、激光通过第一聚焦透镜2击穿空气产生激光等离子体、第二聚焦透镜4，第一激光器1发射的激光通过第一聚焦透镜2聚焦在空气中，在焦点区域引起光学击穿，产生激光等离子体，伴随着产生的白闪光作为探测光源经过第二聚焦透镜4进入所述干涉光路系统中。
进一步地，所述激光等离子体激发系统包括第二激光器6、第三聚焦透镜7，第二激光器6通过第三聚焦透镜7聚焦在空气中，诱导空气击穿，形成的激光等离子体作为待测激光等离子体。
所述激光等离子体三波长干涉诊断装置的调节方法为：
(1)调节所述干涉光路系统，首先放置第一平面分束镜P1，获取两条严格垂直的分光束；放置第一平面反射镜M1，获取两条严格平行等高的分光束；放置第二平面反射镜M2，获取空间严格等光程的光束交点位置；放置第二平面分束镜P2于上一步等光程光束交点处。
(2)调节所述探测光源系统，如图1所示，1为第一激光器，2为第一聚焦透镜，3为凹面反射镜，4为第二聚焦透镜，其中第一聚焦透镜、凹面反射镜与第二聚焦透镜焦点位于同一点上。激光通过透镜聚焦在空气中，在焦点区域引起光学击穿，产生激光等离子体，伴随着产生的白闪光作为探测光源经过第二聚焦透镜进入步骤(1)调节好的干涉光路系统中。
(3)调节所述激光等离子体激发系统，如图2所示，6为第二激光器，7为第三聚焦透镜，第二激光器通过第三聚焦透镜聚焦在空气中，产生的激光等离子体作为待测激光等离子体，其中第三聚焦透镜的一个焦点位于步骤(1)所调节干涉系统P1-M1光路中。
(4)调节所述接收系统，如图2所示，8为第四聚焦透镜，9为RGB滤光光阑，10为彩色CCD，其中第四聚焦透镜、RGB滤光光阑、彩色CCD处在同一水平线上。
本实施例中，激光器1和激光器6采用调Q-Nd:YAG激光器，输出波长为1064nm，脉宽为7ns，最大作用单脉冲能量为600mJ。激光器1通过透镜2聚焦在空气中，在焦点区域引起光学击穿，产生激光等离子体，伴随着产生的白闪光作为探测光源经过第二聚焦透镜进入步骤(1)调节好的干涉光路系统中；探测光源经第一平面分束镜P1，分为两条严格垂直的光束，一束光经P1→步骤(3)产生的待测激光等离子体→M1→P2作为测量光，另一束光经P1→M2→P2作为参考光，测量光和参考光经第二平面分束镜P2后合为一束光进入接收系统，进入接收系统的白光通过第四聚焦透镜和RGB滤光光阑，形成携带激光等离子体相位信息的三束相干光，随后三束相干光进入彩色CCD中，彩色CCD与电脑相连，实时的显示出干涉条纹图像，即可得到携带激光等离子体相位信息的多幅干涉条纹图。
该装置通过激光干涉法获得干涉条纹图的同时，有效避免了传统干涉装置中激光器作为探测光源引起的光源噪声，同时通过接收系统中RGB滤光光阑的滤波，有效消除周围环境噪声的影响，提高得到的干涉条纹图质量；而且与传统装置相比，能够同时获得三幅携带激光等离子体相位信息的干涉条纹图，获取更多的数据图，使结果更加精确、有效且全面。

Claims (7)

1.一种激光等离子体三波长干涉诊断装置，其特征在于，包括探测光源系统、激光等离子体激发系统、干涉光路系统以及接收系统，所述探测光源系统用于产生探测光源，所述激光等离子体激发系统用于产生待测激光等离子体，所述干涉光路系统用于接收所述探测光源，所述接收系统用于产生携带激光等离子体相位信息的三束相干光；
所述干涉光路系统包括第一平面分束镜P1、第一平面反射镜M1、第二平面分束镜P2以及第二平面反射镜M2，所述探测光源经过第一平面分束镜P1分为两束光，一束经过所述待测激光等离子体、第一平面反射镜M1、第二平面分束镜P2作为测量光；另一束经过第二平面反射镜M2、第二平面分束镜P2作为参考光，参考光与测量光经过第二平面分束镜P2后再次相遇，合成一束光进入接收系统；
所述接收系统包括第四聚焦透镜(8)、RGB滤光光阑(9)、彩色CCD(10)，所述干涉光路系统出来的光通过第四聚焦透镜(8)和RGB滤光光阑(9)，形成携带激光等离子体相位信息的三束相干光，随后所述三束相干光进入彩色CCD(10)，彩色CCD与电脑相连，实时的显示出干涉条纹图像。
2.根据权利要求1所述的激光等离子体三波长干涉诊断装置，其特征在于，所述探测光源系统包括第一激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、凹面反射镜(3)以及第二聚焦透镜(4)，所述第一聚焦透镜(2)、凹面反射镜(3)与第二聚焦透镜(4)焦点位于同一位置，第一激光器(1)发射的激光通过第一聚焦透镜(2)聚焦在空气中，在焦点区域引起光学击穿，产生激光等离子体，伴随着产生的白闪光作为探测光源经过第二聚焦透镜(4)进入所述干涉光路系统中。
3.根据权利要求2所述的激光等离子体三波长干涉诊断装置，其特征在于，所述激光等离子体激发系统包括第二激光器(6)、第三聚焦透镜(7)，第二激光器(6)通过第三聚焦透镜(7)聚焦在空气中，诱导空气击穿，形成的激光等离子体作为待测激光等离子体。
4.根据权利要求3所述的激光等离子体三波长干涉诊断装置，其特征在于，所述第三聚焦透镜(7)的一个焦点位于干涉测量系统中的第一平面分束镜P1与第一平面反射镜M1之间。
5.根据权利要求1-4任一项所述的激光等离子体三波长干涉诊断装置，其特征在于，第四聚焦透镜(8)、RGB滤光光阑(9)、彩色CCD(10)处在同一水平线上。
6.根据权利要求3-4任一项所述的激光等离子体三波长干涉诊断装置，其特征在于，第一激光器(1)和第二激光器(6)采用调Q-Nd:YAG激光器，输出波长为1064nm，脉宽为7ns，最大作用单脉冲能量为600mJ。
7.根据权利要求3所述的激光等离子体三波长干涉诊断装置的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调节所述干涉光路系统，首先放置第一平面分束镜P1，获取两条垂直的分光束，放置第一平面反射镜M1，获取两条平行等高的分光束，放置第二平面反射镜M2，获取空间等光程的光束交点位置，放置第二平面分束镜P2于所述等光程光束交点处；
(2)调节所述探测光源系统，第一聚焦透镜(2)、凹面反射镜(3)与第二聚焦透镜(4)焦点位于同一点上，第一激光器(1)产生的激光通过第一聚焦透镜(2)聚焦在空气中，在焦点区域引起光学击穿，产生激光等离子体，伴随着产生的白闪光作为探测光源经过第二聚焦透镜(4)进入步骤(1)调节好的干涉光路系统中；
(3)调节所述激光等离子体激发系统，第二激光器(6)通过第三聚焦透镜(7)聚焦在空气中，产生的激光等离子体作为待测激光等离子体，其中第三聚焦透镜(7)的一个焦点位于步骤(1)所调节干涉光路系统第一平面分束镜P1与第一平面反射镜M1之间的光路中；
(4)调节所述接收系统，第四聚焦透镜(8)、RGB滤光光阑(9)、彩色CCD(10)处在同一水平线上。
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CN116321647A (zh) * 2023-03-29 2023-06-23 中国科学技术大学 一种应用于等离子体相位测量的灵活可调干涉仪及方法

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CN116321647A (zh) * 2023-03-29 2023-06-23 中国科学技术大学 一种应用于等离子体相位测量的灵活可调干涉仪及方法
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