CN202547784U - 一种延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置 - Google Patents

一种延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置，该测量装置包括激光器、通过倍频晶体和二向色分光镜将激光光束分成基频光光路和倍频光光路的二向色光分离系统、等离子体干涉探测系统和等离子体干涉条纹接收系统，所述基频光光路上设有用于将基频光分成两束光的分光系统，其中，第一光束用于聚焦到干涉仪中的靶材产生等离子体，第二光束用于聚焦到第一光束所产生的等离子体中。本实用新型具有对延迟双脉冲激光在靶材表面和透明介质中产生等离子体均可探测的特点且本实用新型的延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置，结构简单，制造成本低，实用方便，填补了国内外空白。

Description

一种延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置
技术领域
本实用新型涉及激光等离子体，具体涉及一种延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置。
背景技术
将强激光束聚焦在靶材表面或透明介质中，当聚焦区域的激光功率密度超过一定阈值时，就会形成时间上和空间上变化剧烈的等离子体，并且伴随有冲击波向四周传播。由于激光等离子体具有潜在的广泛应用，很多学者对它的产生和衰变进行了理论和实验研究。在实际应用中，人们往往希望延长等离子体的寿命，因此利用延迟双脉冲激光延长等离子体寿命的研究有着重要意义。
电子密度是激光等离子体的重要参数，近年来对激光等离子体这一方面的研究有了新的进展。对激光等离子体发射谱线的Stark展宽进行分析可以得到不同时刻等离子体电子密度的空间分布。利用干涉法可以获得激光等离子体的时间序列干涉图，通过对干涉图进行处理提取条纹偏移量并利用Abel 逆变换，也可以得到不同时刻等离子体电子密度的空间分布。但目前关于延迟双脉冲激光产生等离子体电子密度的研究尚未见到报道。
发明内容
本实用新型为研究及获得延迟双脉冲激光产生的等离子体电子密度分布，提供了一种利用干涉法对延迟双脉冲激光产生的等离子体进行诊断的测量装置。
本实用新型提供的延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置，包括激光器、通过倍频晶体和二向色分光镜将激光光束分成基频光光路和倍频光光路的二向色光分离系统、等离子体干涉探测系统和等离子体干涉条纹接收系统，所述等离子体干涉探测系统包括干涉仪和倍频光探测系统，所述基频光光路上设有用于将基频光分成两束光的分光系统，其中，第一光束用于聚焦到干涉仪中的靶材产生等离子体，第二光束用于聚焦到第一光束所产生的等离子体中；所述分光系统包括位于基频光光路上的可旋转的半波片和分光用的偏振分光镜。
所述第二光束的光路上设有由反射镜和透镜组成的延迟光路。
所述第一光束和第二光束聚焦前的夹角不大于5°。
本实用新型通过延迟双脉冲激光击穿靶材产生具有轴对称结构的等离子体，利用干涉法对其进行诊断，得到等离子体的时间序列干涉图，进而得到不同时刻等离子体的电子密度分布和冲击波参数。该测量装置具有对延迟双脉冲激光在靶材表面和透明介质中产生等离子体均可探测的特点。本实用新型的延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置，结构简单，制造成本低，实用方便，填补了国内外空白。
附图说明
图1为本实用新型延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置示意图；
图2为利用本实用新型测量装置拍摄得到的延迟双脉冲激光产生大气等离子体的时间序列干涉图。图中，激光从右向左射入，第一束光能量为30mJ，第二束光能量为25mJ，图的尺寸为1.0                                               
Figure 2012201653209100002DEST_PATH_IMAGE002
1.55mm2。图下为探测光延迟时间，单位为纳秒；
图3为利用本实用新型测量装置拍摄得到的延迟双脉冲激光产生Al等离子体的时间序列干涉图。图中，激光从右向左射入，第一束光能量为8mJ，第二束光能量为8mJ，图的尺寸为0.91
Figure 602627DEST_PATH_IMAGE002
0.91mm2。图下为探测光延迟时间，单位为纳秒；
图4为对图2和图3进行处理后得到的等离子体中心区域电子密度。
图中：1、激光器，2、倍频晶体，3、二向色分光镜，4、半波片，5、偏振分光镜，6、7、8、9、12、13、14、24、16、反射镜，10、15、17、19、21、凸透镜，11、靶材，18、空间滤波器，20、马赫-曾德尔干涉仪，22、干涉滤波片，23、CCD，25、第一光束，26、第二光束，27、倍频光光路，28、基频光光路。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型提供的延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置，包括激光器1、通过倍频晶体2和二向色分光镜3将激光光束分成基频光光路28和倍频光光路27的二向色光分离系统、等离子体干涉探测系统和等离子体干涉条纹接收系统，其中，等离子体干涉探测系统包括干涉仪20和倍频光探测系统，且基频光光路28上设有用于将基频光分成两束光的分光系统，其中，第一光束25用于聚焦干涉仪20中的靶材11产生等离子体，第二光束26用于聚焦到第一光束25所产生的等离子体中；分光系统包括位于基频光光路28上的可旋转的半波片4和分光用的偏振分光镜5；二向色分光镜3将作用光即基频光和探测光即倍频光分离，半波片4和偏振分光镜5将作用光分为两束，半波片4由可旋转镜架夹持，反射镜6、7、8、9和透镜10组成第二光束的延迟光路，夹持透镜10的镜架固定在三维调节架上，反射镜15、16组成探测光的延迟光路，透镜17、19和空间滤波器18组成空间滤波系统，透镜21、干涉滤波片22和CCD  23组成等离子体干涉条纹接收系统；夹持透镜10的镜架固定在三维调节架上，使用三维调节架可调节透镜10的位置。
本实用新型的延迟双脉冲激光产生等离子体的测量方法包括下列步骤：
Figure 2012201653209100002DEST_PATH_IMAGE004
调Q-Nd:YAG激光器1输出波长为1064nm，脉宽为10ns，光束直径为6mm。激光器发出的激光通过倍频晶体2后二向色分光镜3将倍频光（=532nm）和基频光（
Figure 2012201653209100002DEST_PATH_IMAGE008
=1064nm）分离。
Figure DEST_PATH_IMAGE010
基频光通过半波片4、偏振分光镜5后被分为两束，旋转半波片4片对两束光的能量进行调节，第一光束通过平凸透镜15聚焦击穿靶材11产生等离子体，第二光束经过延迟光路后通过平凸透镜10聚焦作用在等离子体中。根据激光束直径，适当选取平凸透镜15和平凸透镜10的焦距，使两束光聚焦前的夹角小于5°。
Figure DEST_PATH_IMAGE012
通过改变反射镜7、8、9的位置调节第二光束的延迟时间，第二光束和第一光束之间的延迟时间为30ns。
Figure DEST_PATH_IMAGE014
倍频光作为探测光通过延迟光路、空间滤波系统和马赫-曾德尔干涉仪20形成携带等离子体折射率信息的干涉条纹，由CCD 23接收等离子体干涉条纹，CCD  23与电脑相连以显示拍摄到的干涉图并存入电脑硬盘。
根据电脑显示的干涉图使用三维调节架调节透镜10的位置进而使第二光束聚焦后作用在等离子体对称轴上。
Figure DEST_PATH_IMAGE018
通过改变反射镜15、16的位置调节倍频光的延迟时间进而拍摄不同延迟时间的等离子体干涉图。
图2是实验获得的延迟双脉冲激光产生大气等离子体的时间序列干涉图，其中第一光束能量为30mJ，第二光束能量为25mJ。图3是实验获得的延迟双脉冲激光产生Al等离子体的时间序列干涉图，其中第一光束能量为8mJ，第二光束能量也为8mJ。等离子体尺寸的确定可以通过对高精度尺子的阴影图的处理获得。探测光延迟时间分别为7，15，25，35，45，60，68，78，88ns。
对干涉图进行条纹细化可以提取干涉条纹偏移量。从图2和图3可以看出，激光等离子体具有明显的轴对称结构，利用Abel 逆变换，就可以得到等离子体的折射率分布，即
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。                 （1）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为等离子体折射率，为环境气体折射率（这里取），
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为激光入射方向，为激光等离子体的径向方向，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为干涉条纹偏移量，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为等离子体对称轴至冲击波波面的距离。通过条纹细化得到的
Figure 384376DEST_PATH_IMAGE032
是一系列离散的数据，对其进行拟合后可以得到等离子体折射率的径向分布。
电子密度较高时干涉条纹的偏移由等离子体电子密度决定，即
。             （2）
其中,
Figure DEST_PATH_IMAGE038
是电子电量,
Figure DEST_PATH_IMAGE040
是电子质量,
Figure DEST_PATH_IMAGE042
是真空电容率,
Figure DEST_PATH_IMAGE044
是真空中的光速。要得到等离子体的电子密度分布,首先需要通过区域分割获得等离子体区域,然后再利用式（2）计算激光等离子体的电子密度。
图2中延迟时间为7ns和35ns的干涉条纹图比较模糊，产生这一现象的原因主要有两个：一是等离子体膨胀过快，二是等离子体电子密度变化过快。我们通过对图2和图3中可处理的干涉图进行条纹细化并提取干涉条纹偏移量，然后利用式（1）和式（2）计算图2和图3所示的等离子体场中轴长为0.2mm、半径为0.02mm的圆柱形中心区域电子密度的平均值，结果如图4所示。从图4可以看出，第二光束作用后等离子体电子密度增大。
采用二维FFT分析法对图2和图3中的干涉图进行波面重建，可以获得不同时刻延迟双脉冲激光产生等离子体冲击波在各方向的位移，进而通过曲线拟合和求导获得等离子体冲击波在各方向的波速。对于波后压缩气体，中性粒子占据主导优势，因此有
Figure DEST_PATH_IMAGE046
。由Gladston-Dale方程可知，空气压缩层的气体密度和折射率的关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
(g/cm-3)为气体密度，对于空气
Figure 643057DEST_PATH_IMAGE006
=532nm时
Figure DEST_PATH_IMAGE052
=0.2273 (cm3/g)。要得到等离子体的波后压缩气体密度分布,首先需要通过区域分割获得波后压缩气体区域,然后再利用气体密度和折射率的关系式计算波后压缩气体密度。由此可见，通过对图2和图3中的干涉图进行处理可以获得延迟双脉冲激光产生等离子体冲击波的波后压缩气体密度。
经实验证明，本实用新型用于对延迟双脉冲激光产生等离子体干涉条纹的拍摄，获得清晰的等离子体干涉条纹照片，进而得到电子密度和冲击波参数，处理效果好。

Claims (3)

1.一种延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置，包括激光器、通过倍频晶体和二向色分光镜将激光光束分成基频光光路和倍频光光路的二向色光分离系统、等离子体干涉探测系统和等离子体干涉条纹接收系统，所述等离子体干涉探测系统包括干涉仪和倍频光探测系统，其特征在于：所述基频光光路上设有用于将基频光分成两束光的分光系统，其中，第一光束用于聚焦到干涉仪中的靶材产生等离子体，第二光束用于聚焦到第一光束所产生的等离子体中；所述分光系统包括位于基频光光路上的可旋转的半波片和分光用的偏振分光镜。
2.如权利要求1所述的延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置，其特征在于：所述第二光束的光路上设有由反射镜和透镜组成的延迟光路。
3.如权利要求2所述的延迟双脉冲激光产生等离子体的测量装置，其特征在于：所述第一光束和第二光束聚焦前的夹角不大于5°。
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