CN108174503A - 激光等离子体电子密度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种激光等离子体电子密度测量装置，包括驱动激光束、第一聚焦镜、激光器、扩束系统、第二聚焦镜、编码板、光斑探测器和计算机。驱动激光束被第一聚焦镜聚焦后与物质相互作用产生等离子体，激光器产生的激光束作为探测光对激光等离子体进行诊断，其通过扩束系统后穿过待测等离子体，待测光经过第二聚焦镜聚焦后照射到编码板上，用光斑探测器记录其所形成的衍射斑。利用这个衍射斑强度和迭代算法重构出待测光的相位分布。测出光经过待测等离子体后的相位变化，光程变化即可确定，用阿贝尔变换处理光程差的数据，从而获得电子密度的分布。本发明无需干涉光路，受环境影响较小，装置结构简单，测量分辨率高，满足于激光等离子体电子密度测量的要求。

Description

激光等离子体电子密度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及激光与物质相互作用的等离子体电子密度测量技术领域，具体是一种利用相位恢复算法实现激光等离子体电子密度测量装置及测量方法。

技术背景

高强度激光照射到金属表面时，会造成各种不同性质的损伤，同时在金属和空气界面激发等离子体。等离子体的光学探针诊断，是基于光在等离子体中传播时，如同在一种折射率连续变化的介质中传播，其折射率为(1-N_e/N_c)^1/2，其中N_e是电子密度，N_c是该波长下的临界密度。测出光经过等离子体后的光程变化情况后，在假定等离子体密度为柱对称的情况下，可以用阿贝尔变换来处理光程差的数据，得到电子密度的分布。用于激光等离子体的光探针，要求其脉宽足够窄，与主脉冲的同步良好，波长合适，能够避开等离子体谐波的干扰等。现在广泛采用的干涉法在使用的方便性和准确度上有很多不足，比如：当用紫外和深紫外激光进行测量时，得到严格准确的参考光束较为困难；对环境的稳定度要求较高，不适应大型装置的现场检测，而且用脉冲激光进行干涉测量时需要进行光程匹配，测量机构的尺寸较大，进一步提高了环境稳定性要求；当用x射线诊断等离子体时，由于相应波段元件质量问题，干涉测量光路很难搭建。因此对于激光等离子体电子密度测量新方法的研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对上述激光等离子体电子密度测量的问题，提出一种利用相位恢复算法实现激光等离子体电子密度测量装置，利用一个光斑探测器记录两幅衍射光斑，由计算机进行迭代计算实现激光等离子体电子密度测量，该测量方法无需干涉光路，受环境影响较小，装置结构简单，测量分辨率高，满足于激光等离子体电子密度测量的要求。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种激光等离子体电子密度测量装置，其特点在于：包括驱动激光束、第一聚焦镜、激光器、扩束系统、第二聚焦镜、编码板、光斑探测器和计算机；

上述元件的位置关系如下：

沿所述的驱动激光束的光路方向依次放置第一聚焦镜和作用物质，该作用物质位于所述的第一聚焦镜的焦点处，该驱动激光束经第一聚焦镜聚焦后与作用物质相互作用产生待测等离子体；

沿所述的激光器的出射的相干光光束方向依次放置扩束系统、作用物质、第二聚焦镜、编码板和光斑探测器，激光器产生的激光束通过扩束系统后穿过待测等离子体后，经第二聚焦镜聚焦，并入射到所述的编码板，经该编码板调制后被所述的光斑探测器接收，该光斑探测器与计算机相连。

所述的编码板垂直放置于聚焦光束的入射方向，确保激光器、扩束系统、第二聚焦镜和编码板与光束垂直且中心保持在光轴上，该编码板的空间分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过。

利用所述的激光等离子体电子密度测量装置测量待测激光等离子体的电子密度方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

①以激光器发出的相干光光束为基准，确定光轴，沿光轴依次放置扩束系统、第二聚焦镜、编码板和光斑探测器；相干光光束经过扩束系统后光束口径增大，经第二聚焦镜汇聚后，经该编码板调制后被所述的光斑探测器接收，光斑探测器记录第一幅衍射光斑；所述的编码板垂直放置于聚焦光束的入射方向，确保各光学元件与光束垂直且中心保持在光轴上，该编码板的空间分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过；

②沿所述的驱动激光束的光路方向依次放置第一聚焦镜和作用物质，该作用物质位于所述的第一聚焦镜的焦点处；驱动激光束穿过第一聚焦镜后产生聚焦光束，聚焦光束与放置作用物质相互作用产生待测等离子体；

③激光器发出的相干光光束经过扩束系统后光束口径增大，然后穿过产生的待测等离子体区域，经第二聚焦镜将穿过待测等离子体后的光束汇聚，经该编码板调制后被所述的光斑探测器接收，光斑探测器记录第二幅衍射光斑；

④光斑探测器将第一幅衍射光斑和第二幅衍射光斑传输给计算机，由计算机处理获得相位变化空间分布。

所述的步骤④，由计算机处理获得相位变化空间分布，具体步骤如下：

步骤4.1测量参数值：用直尺测量第二聚焦镜到编码板的直线距离L₀，第二聚焦镜焦点到编码板的直线距离L₁，编码板到光斑探测器靶面的直线距离L₂；

步骤4.2给第二聚焦镜焦点处光波分布一初始的随机猜测值构造一个光阑，其孔径大小限制函数S₁，初始光阑半径r₁，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以内，则函数S₁取值为1，代表光透过光阑，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以外，则函数S₁取值为0，代表光不能透过光阑，

初始第二聚焦镜焦点面上的光波分布为

步骤4.3、第n次传播到编码板面上的照明光函数为表示第n次迭代光波focus_n传播距离L₁的过程，n代表第n次迭代；

步骤4.4、在编码板面上，编码板的分布函数为P,第n次照明光通过编码板后的出射波函数为

步骤4.5、第n次光斑探测器靶面上衍射光斑的复振幅分布

表示第n次迭代光波exit_n传播距离L₂的过程；

步骤4.6、光斑探测器实际记录的光斑分布为I,复振幅分布diff_n和的误差

步骤4.7、对光斑探测器靶面上的衍射光斑的复振幅分布进行更新，即将其振幅更新为光斑探测器实际记录光斑的振幅得到diff'_n，ψ_n为diff_n的相位分布；

步骤4.8、反方向传播diff'_n到编码板面上得到

表示第n次迭代光波diff'_n反方向传播距离L₂的过程；

步骤4.9、更新编码板面上的照明光函数illu'_n＝exit'_n/P；

步骤4.10、反方向传播illu'_n到第二聚焦镜焦点面上得到 表示第n次迭代光波illu'_n反方向传播距离L₁的过程；

步骤4.11、增大光阑半径为r_n+1，半径r_n+1范围以内光阑孔径大小限制函数S_n+1取值为1，半径r_n+1范围以外S_n+1函数取值为0，更新后的第二聚焦镜焦点面上的光波分布为focus_n+1＝focus'_n*S_n+1作为第n+1次迭代的初始光波分布；

步骤4.12重复步骤4.3到4.11，直至误差error_n变化非常小甚至不变时，迭代过程停止，此时更新后的编码板面上的照明光函数为illu；

步骤4.13、光斑探测器记录的第一幅衍射光斑迭代计算获得的照明光函数为illuα，光斑探测器记录的第二幅衍射光斑迭代计算获得的照明光函数为illuβ；

步骤4.14、由菲涅尔衍射积分公式，illuα和illuβ反方向传播到第二聚焦镜面上得到光场分布，公式如下：

其中，λ是激光器发出的相干光波长，k为波矢，k＝2π/λ，U(x′,y′)为驱动激光束没有与物质相互作用产生待测等离子体时第二聚焦镜面上的光场分布，T(x′,y′)为驱动激光束与物质相互作用产生待测等离子体时第二聚焦镜面上的光场分布；

步骤4.15、计算两次光斑探测器分别记录的衍射光斑获得第二聚焦镜(6)面上光场分布的相位差U(x′,y′)T^*(x′,y′)，其中T^*(x′,y′)为T(x′,y′)的共轭函数，即为由于驱动激光束与物质相互作用产生待测等离子体导致的相位变化；

步骤4.16、测出光经过待测等离子体后的相位变化φ(x,y)，其中dl为沿着激光器发出的激光光束在等离子体中传播方向路径的积分，ω是激光频率，c为真空中的光速，n_c(ω)是对应的激光器发出激光的临界电子密度，与激光的波长有关，n_e(x,y)为产生待测等离子体电子密度；激光器发出激光光束穿越待测等离子体时的光程变化情况即可以确定ΔS＝∫(1-η_P)dl，η_p为激光光束在待测等离子体中传播的折射率；在假定等离子体密度为柱对称的情况下，利用阿贝尔变换来处理光程差的数据，即可得到待测等离子体电子密度的分布

与现有技术相比，本发明的技术效果：

1)无需参考光路，只需用一个光斑探测器记录两幅衍射光斑，由计算机进行迭代计算可以实现激光等离子体电子密度测量。

2)结构简单、体积小，受周围环境影响小，适用于有限的实验空间检测使用。

3)成本低于现有常用的干涉测量仪器，并且分辨率高，该装置具有十分广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明激光等离子体电子密度测量装置的结构示意图。

图中：1-驱动激光束，2-第一聚焦镜，3-离子体，4-激光器，5-扩束系统，6-第二聚焦镜，7-编码板，8-光斑探测器，9-计算机。第二聚焦镜6到编码板7的直线距离L₀，第二聚焦镜6焦点到编码板7的直线距离L₁，编码板7到光斑探测器8靶面的直线距离L₂。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是激光等离子体电子密度测量装置的结构示意图，如图所示，一种激光等离子体电子密度测量装置，包括驱动激光束1、第一聚焦镜2、激光器4、扩束系统5、第二聚焦镜6、编码板7、光斑探测器8和计算机9；沿所述的驱动激光束1的光路方向依次放置第一聚焦镜2和作用物质，该作用物质位于所述的第一聚焦镜2的焦点处，沿所述的激光器4的出射的相干光光束方向依次放置扩束系统5、作用物质、第二聚焦镜6、编码板7和光斑探测器8。

驱动激光束1被第一聚焦镜2聚焦后与物质相互作用产生等离子体3，激光器4产生的激光束通过扩束系统5后穿过待测等离子体3，待测光经过第二聚焦镜6聚焦后照射到一块编码板7上，用一台光斑探测器8记录其所形成的衍射斑。

编码板7采用相位为0和π随机分布P，最小单元的大小为9μm，直尺测量出的第二聚焦镜6到编码板7的直线距离L₀为0.35m，第二聚焦镜6焦点位置距离编码板7平面L₁为3.0cm，码板7平面到光斑探测器8的距离L₂为5.0cm，光斑探测器8的分辨率为2048像素×2048像素，最小单元为9μm。

利用该装置进行激光等离子体电子密度测量，步骤如下：

1)以激光器4发出的相干光光束为基准，确定光轴，沿光轴依次放置扩束系统5、第二聚焦镜6、编码板7和光斑探测器8；相干光光束经过扩束系统5后光束口径增大，经第二聚焦镜6汇聚后，经该编码板7调制后被所述的光斑探测器8接收，光斑探测器8记录第一幅衍射光斑；所述的编码板7垂直放置于聚焦光束的入射方向，确保各光学元件与光束垂直且中心保持在光轴上，该编码板7的空间分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过；

2)沿所述的驱动激光束1的光路方向依次放置第一聚焦镜(2)和作用物质，该作用物质位于所述的第一聚焦镜2的焦点处；驱动激光束1穿过第一聚焦镜2后产生聚焦光束，聚焦光束与放置作用物质相互作用产生待测等离子体3；

3)激光器4发出的相干光光束经过扩束系统5后光束口径增大，然后穿过产生的待测等离子体3区域，经第二聚焦镜6将穿过待测等离子体3后的光束汇聚，经该编码板7调制后被所述的光斑探测器8接收，光斑探测器8记录第二幅衍射光斑；

4)光斑探测器8将第一幅衍射光斑和第二幅衍射光斑传输给计算机9，由计算机9处理获得相位变化空间分布。

5)由计算机9处理获得相位变化空间分布，具体步骤如下：

①测量参数值：用直尺测量第二聚焦镜6到编码板7的直线距离L₀，第二聚焦镜6焦点到编码板7的直线距离L₁，编码板7到光斑探测器8靶面的直线距离L₂；

②给第二聚焦镜6焦点处光波分布一初始的随机猜测值构造一个光阑，其孔径大小限制函数S₁，初始光阑半径r₁，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以内，则函数S₁取值为1，代表光透过光阑，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以外，则函数S₁取值为0，代表光不能透过光阑，

初始第二聚焦镜6焦点面上的光波分布为

③第n次传播到编码板7面上的照明光函数为 表示第n次迭代光波focus_n传播距离L₁的过程，n代表第n次迭代

④在编码板7面上，编码板7的分布函数为P,第n次照明光通过编码板7后的出射波函数为

⑤第n次光斑探测器8靶面上衍射光斑的复振幅分布 表示第n次迭代光波exit_n传播距离L₂的过程；

⑥光斑探测器8实际记录的光斑分布为I,复振幅分布diff_n和的误差

⑦对光斑探测器8靶面上的衍射光斑的复振幅分布进行更新，即将其振幅更新为光斑探测器8实际记录光斑的振幅得到diff'_n，ψ_n为diff_n的相位分布；

⑧反方向传播diff'_n到编码板7面上得到 表示第n次迭代光波diff'_n反方向传播距离L₂的过程；

⑨更新编码板7面上的照明光函数illu'_n＝exit'_n/P；

⑩反方向传播illu'_n到第二聚焦镜6焦点面上得到 表示第n次迭代光波illu'_n反方向传播距离L₁的过程；

增大光阑半径为r_n+1，半径r_n+1范围以内光阑孔径大小限制函数S_n+1取值为1，半径r_n+1范围以外S_n+1函数取值为0，更新后的第二聚焦镜(6)焦点面上的光波分布为focus_n+1＝focus'_n*S_n+1作为第n+1次迭代的初始光波分布；

重复步骤③到直至误差error_n变化非常小甚至不变时，迭代过程停止，此时更新后的编码板7面上的照明光函数为illu；

光斑探测器(8)记录的第一幅衍射光斑迭代计算获得的照明光函数为illuα，光斑探测器(8)记录的第二幅衍射光斑迭代计算获得的照明光函数为illuβ；

由菲涅尔衍射积分公式，illuα和illuβ反方向传播到第二聚焦镜(6)面上得到光场分布，公式如下：

其中，λ是激光器4发出的相干光波长，k为波矢，k＝2π/λ，U(x′,y′)为驱动激光束1没有与物质相互作用产生等离子体3时聚焦镜6面上的光场分布，T(x′,y′)为驱动激光束1与物质相互作用产生等离子体3时聚焦镜6面上的光场分布；

计算两次光斑探测器8分别记录的衍射光斑获得第二聚焦镜6面上光场分布的相位差U(x′,y′)T^*(x′,y′)，其中T^*(x′,y′)为T(x′,y′)的共轭函数，即为由于驱动激光束1与物质相互作用产生待测等离子体3导致的相位变化

测出光经过待测等离子体3后的相位变化φ(x,y)，其中dl为沿着激光器4发出的激光光束在等离子体中传播方向路径的积分，ω是激光频率，c为真空中的光速，n_c(ω)是对应的激光器4发出激光的临界电子密度，与激光的波长有关，n_e(x,y)为产生待测等离子体3电子密度；激光器4发出激光光束穿越待测等离子体3时的光程变化情况即可以确定ΔS＝∫(1-η_P)dl，η_p为激光光束在待测等离子体3中传播的折射率；在假定等离子体密度为柱对称的情况下，利用阿贝尔变换来处理光程差的数据，即可得到待测等离子体3电子密度的分布

实验结果表明，本发明装置成功实现了激光等离子体电子密度测量，该装置用一个光斑探测器记录两幅衍射光斑，由计算机进行迭代计算可以实现激光等离子体电子密度测量，该测量方法无需干涉光路，不受限于光斑探测器尺寸，受环境影响较小，装置结构简单，测量分辨率高，满足于激光等离子体电子密度测量的要求。

Claims (4)

1.一种激光等离子体电子密度测量装置，其特征在于：包括驱动激光束(1)、第一聚焦镜(2)、激光器(4)、扩束系统(5)、第二聚焦镜(6)、编码板(7)、光斑探测器(8)和计算机(9)；

上述元件的位置关系如下：

沿所述的驱动激光束(1)的光路方向依次放置第一聚焦镜(2)和作用物质，该作用物质位于所述的第一聚焦镜(2)的焦点处，该驱动激光束(1)经第一聚焦镜(2)聚焦后与作用物质相互作用产生待测等离子体(3)；

沿所述的激光器(4)的出射的相干光光束方向依次放置扩束系统(5)、作用物质、第二聚焦镜(6)、编码板(7)和光斑探测器(8)，激光器(4)产生的激光束通过扩束系统(5)后穿过待测等离子体(3)后，经第二聚焦镜(6)聚焦，并入射到所述的编码板(7)，经该编码板(7)调制后被所述的光斑探测器(8)接收，该光斑探测器(8)与计算机(9)相连。

2.根据权利要求1所述的激光等离子体电子密度测量装置，其特征在于：所述的编码板(7)垂直放置于聚焦光束的入射方向，确保激光器(4)、扩束系统(5)、第二聚焦镜(6)和编码板(7)与光束垂直且中心保持在光轴上，该编码板(7)的空间分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过。

3.利用权利要求1或2所述的激光等离子体电子密度测量装置测量待测激光等离子体的电子密度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①以激光器(4)发出的相干光光束为基准，确定光轴，沿光轴依次放置扩束系统(5)、第二聚焦镜(6)、编码板(7)和光斑探测器(8)；相干光光束经过扩束系统(5)后光束口径增大，经第二聚焦镜(6)汇聚后，经该编码板(7)调制后被所述的光斑探测器(8)接收，光斑探测器(8)记录第一幅衍射光斑；所述的编码板(7)垂直放置于聚焦光束的入射方向，确保各光学元件与光束垂直且中心保持在光轴上，该编码板(7)的空间分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过；

②沿所述的驱动激光束(1)的光路方向依次放置第一聚焦镜(2)和作用物质，该作用物质位于所述的第一聚焦镜(2)的焦点处；驱动激光束(1)穿过第一聚焦镜(2)后产生聚焦光束，聚焦光束与放置作用物质相互作用产生待测等离子体(3)；

③激光器(4)发出的相干光光束经过扩束系统(5)后光束口径增大，然后穿过产生的待测等离子体(3)区域，经第二聚焦镜(6)将穿过待测等离子体(3)后的光束汇聚，经该编码板(7)调制后被所述的光斑探测器(8)接收，光斑探测器(8)记录第二幅衍射光斑；

④光斑探测器(8)将第一幅衍射光斑和第二幅衍射光斑传输给计算机(9)，由计算机(9)处理获得相位变化空间分布。

4.根据权利要求3所述的电子密度测量方法，其特征在于，所述的步骤④，由计算机(9)处理获得相位变化空间分布，具体步骤如下：

步骤4.1测量参数值：用直尺测量第二聚焦镜(6)到编码板(7)的直线距离L₀，第二聚焦镜(6)焦点到编码板(7)的直线距离L₁，编码板(7)到光斑探测器(8)靶面的直线距离L₂；

步骤4.2给第二聚焦镜(6)焦点处光波分布一初始的随机猜测值构造一个光阑，其孔径大小限制函数S₁，初始光阑半径r₁，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以内，则函数S₁取值为1，代表光透过光阑，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以外，则函数S₁取值为0，代表光不能透过光阑，

初始第二聚焦镜(6)焦点面上的光波分布为

步骤4.3、第n次传播到编码板(7)面上的照明光函数为 表示第n次迭代光波focus_n传播距离L₁的过程，n代表第n次迭代；

步骤4.4、在编码板(7)面上，编码板(7)的分布函数为P,第n次照明光通过编码板(7)后的出射波函数为

步骤4.5、第n次光斑探测器(8)靶面上衍射光斑的复振幅分布

表示第n次迭代光波exit_n传播距离L₂的过程；

步骤4.6、光斑探测器(8)实际记录的光斑分布为I,复振幅分布diff_n和的误差

步骤4.7、对光斑探测器(8)靶面上的衍射光斑的复振幅分布进行更新，即将其振幅更新为光斑探测器(8)实际记录光斑的振幅得到diff'_n，ψ_n为diff_n的相位分布；

步骤4.8、反方向传播diff'_n到编码板(7)面上得到

表示第n次迭代光波diff'_n反方向传播距离L₂的过程；

步骤4.9、更新编码板(7)面上的照明光函数illu'_n＝exit'_n/P；

步骤4.10、反方向传播illu'_n到第二聚焦镜(6)焦点面上得到 表示第n次迭代光波illu'_n反方向传播距离L₁的过程；

步骤4.11、增大光阑半径为r_n+1，半径r_n+1范围以内光阑孔径大小限制函数S_n+1取值为1，半径r_n+1范围以外S_n+1函数取值为0，更新后的第二聚焦镜(6)焦点面上的光波分布为focus_n+1＝focus'_n*S_n+1作为第n+1次迭代的初始光波分布；

步骤4.12重复步骤4.3到4.11，直至误差error_n变化非常小甚至不变时，迭代过程停止，此时更新后的编码板(7)面上的照明光函数为illu；

步骤4.13、光斑探测器(8)记录的第一幅衍射光斑迭代计算获得的照明光函数为illuα，光斑探测器(8)记录的第二幅衍射光斑迭代计算获得的照明光函数为illuβ；

步骤4.14、由菲涅尔衍射积分公式，illuα和illuβ反方向传播到第二聚焦镜(6)面上得到光场分布，公式如下：

其中，λ是激光器(4)发出的相干光波长，k为波矢，k＝2π/λ，U(x′,y′)为驱动激光束(1)没有与物质相互作用产生等离子体(3)时第二聚焦镜(6)面上的光场分布，T(x′,y′)为驱动激光束(1)与物质相互作用产生待测等离子体(3)时第二聚焦镜(6)面上的光场分布；

步骤4.15、计算两次光斑探测器(8)分别记录的衍射光斑获得第二聚焦镜(6)面上光场分布的相位差U(x′,y′)T^*(x′,y′)，其中T^*(x′,y′)为T(x′,y′)的共轭函数，即为由于驱动激光束(1)与物质相互作用产生待测等离子体(3)导致的相位变化；

步骤4.16、测出光经过待测等离子体(3)后的相位变化φ(x,y)，其中dl为沿着激光器(4)发出的激光光束在等离子体中传播方向路径的积分，ω是激光频率，c为真空中的光速，n_c(ω)是对应的激光器(4)发出激光的临界电子密度，与激光的波长有关，n_e(x,y)为产生待测等离子体(3)电子密度；激光器(4)发出激光光束穿越待测等离子体(3)时的光程变化情况即可以确定ΔS＝∫(1-η_P)dl，η_p为激光光束在待测等离子体(3)中传播的折射率；在假定等离子体密度为柱对称的情况下，利用阿贝尔变换来处理光程差的数据，即可得到待测等离子体(3)电子密度的分布