等离子体参数的激光探针诊断技术＊

2012-10-16汪家春

舰船电子工程 2012年12期

程立汪家春周瑞

（1.脉冲功率激光技术国家重点实验室，电子工程学院安徽省红外与低温等离子体重点实验室合肥 230037）（2.杭州笕桥94782部队杭州 310021）

1 引言

等离子体技术作为一种新概念的技术，受到世界广泛关注，而其性能与其参数密不可分，等离子体参数诊断成为研究等离子体的一个重要方面。激光探针诊断技术作为一种等离子体主动诊断技术，可以测量各种等离子体及各种参数（电子和离子密度、温度、磁场等），而且具有很好的空间和时间分辨能力，对所研究的等离子体不会造成严重干扰。因此以激光技术为基础的诊断方法己在等离子体的实验研究中得到广泛应用，成为实验室等离子体和聚变实验研究的重要工具［1］。

激光探针诊断技术主要是通过分析探针光束通过变化的等离子体区域后的强度、相位、偏振态变化及散射情况，进而得到等离子体的多种信息。其中，干涉法和电子密度相关，阴影法、纹影法和摩尔偏折法和等离子体密度梯度相关［2］，Thomson散射与等离子体的电离程度、膨胀速度、热流等参数以及电子与离子密度、温度相关，本文主要介绍激光作为探针诊断等离子体参数的干涉诊断技术、摩尔偏折诊断技术以及Thomson散射诊断技术。

2 干涉诊断技术

若介质受到光照时其介质的密度发生变化，则其折射率也将随之发生变化，根据光线的位相变化即光程差来确定折射率，其直观的反映就是干涉条纹的弯曲程度或移动。在等离子体电子密度的诊断中，条纹移动的数目N可由式（1）确定：

其中ne是电子的密度，nc是电子的临界密度，L是等离子体的纵向尺寸，λ是探测光束的波长。

在高度电离的稠密等离子体条件下，折射率n只取决于电子密度ne：

干涉法对光源要求较高，探测光源亮度要高，脉冲宽度要窄而且探针光与等离子体的过程要同步［3］。以下介绍几种比较常用的干涉法诊断技术。

2.1 偏振光干涉诊断技术

偏振光干涉诊断技术用来探测中等密度的等离子体比较合适，而且还可以同时进行激光等离子体自生磁场诊断。图1是一种偏振光干涉诊断技术中使用的偏振干涉仪实验装置图。干涉仪由起偏片、Wollaston棱镜、检偏片组成，探测光束通过Wol－laston棱镜产生两束振动方向相互垂直且以小角度分开的偏振光，这两束光的干涉由两片方向垂直或平行的偏振片实现。

图1 偏振干涉仪

形成干涉部分：

图2 干涉部分

干涉条纹的宽度可由式（3）得出：

其中λ为探测光束的波长，θ为Wollaston棱镜分束角。

应用上，章辉煌等［4］利用266紫外激光探针测量了1.06μm主激光（3×1015W／cm2）辐射柱状铜靶产生的等离子体密度分布；李玉同等［2］使用飞秒激光探针法，对飞秒激光等离子体膨胀过程进行了光学诊断。实验得到了不同时刻的等离子体阴影图和干涉图；王传珂等［5］采用两级喇曼压缩系统产生的波长为308nm的紫外光作为探针束，配合Nomarski偏振干涉仪对金平面靶冕区激光等离子体进行诊断。

2.2 Mach－Zehnder干涉诊断技术

图3是Mach－Zehnder干涉诊断技术中使用的Mach－Zehnder干涉仪实验装置图。用于产生干涉的M－Z干涉仪由一对分束镜（B1、B2）和一对平面镜（M1、M2）组成，探测光束经B1被分成两束，一束经过等离子体的为探测光，一束不经过等离子体的为参考光。两束光相遇后得到包含等离子体密度信息的干涉条纹。使用这种干涉仪要注意激光器的相干长度，要得到清晰的干涉条纹必须使两束光（参考光和探测光）的光程差小于激光器的相干长度。

应用上，刘大明等［6］利用激光标准干涉法诊断了准分子激光（XeCl，308nm）在 YBa2Cu3O7－δ超导靶面激励等离子体的电子密度；陈林等［7］在文献《激光干涉诊断ETC发射装置产生的等离子体射流》中叙述了用光楔错位干涉与高速摄影技术诊断电热化学（ETC）发射装置中等离子体发生器产生的等离子体射流的方法；王琛等［8］利用类镍－银X射线激光作为探针测得C8H8激光等离子体的电子密度达9.5×1020cm－3。

图3 Mach－Zehnder干涉仪

2.3 全息干涉诊断技术

全息干涉法［9～10］适于对稠密等离子体或微型靶等离子体进行诊断，是诊断等离子体电子密度的一个有效方法，它具有高时空分辨的特点。实验中采用双曝光法记录等离子体运动图像，一次记录加热激光脉冲到达前的静态全息图，另一次记录形成等离子体飞散过程的动态像，将得到的两幅图像分别用MATLAB程序进行处理，处理过程包括两次傅里叶变换和相位解包裹，再对处理后的两幅相位包裹图进行图像相减，得到条纹形状的相位差分布图，从而得到因等离子体引入的光程差。

图4 全息干涉示意图

实验装置如图4所示，激光器发出的一束光经分束镜BS1分成两束，一束为物光，经过扩束镜BE1、针孔滤波器H1等照射激光等离子体，另一束为参考光，经过BE2、H2和透镜L2转换为平行光，两束光经分束镜BS2汇合后由CCD采集全息图像，设计光路时使参考光和物光光程相等。

应用上，袁永华等［11］拍摄激光产生蒸汽垌等离子体的全息干涉图，并运用Abel变换和Saha方程；丰善等［9］利用脉冲激光作为探测光源，采用全息双曝光法对激光惯性约束核聚变高温高稠度等离子体的诊断；对争息干涉圈进行数据处理，得到对激光与物质相互作用机理研究的有用参数；董小刚［12］在文献《实时全息用于强发光等离子体诊断的优势》中探讨了实时全息用于强发光等离子体诊断的优势，着重讨论了激光实时全息中的光强配合和全息光栅干涉滤波；彭能岭等［13］介绍了在“星光Ⅱ”条件下设计的紫外皮秒紫外全息干涉系统的原理。

3 摩尔偏折诊断技术

摩尔偏折诊断技术的实质是通过测量探针穿过介质后，光束指向的偏折来获得折射率信息，而摩尔条纹对微弱的光束偏折有放大作用，能够精确地测量偏折角度，因此可配合偏折法进行等离子体电子密度的测量［14］。

探测光线在密度分布不均匀的激光等离子体中传播时会发生偏折，其偏折角度φ与等离子体电子密度有关：

其中n、ne、nc分别为等离子体的折射率、电子数密度和临界电子数密度。由式（4）可知，若能测量出光线的偏折角，就可以计算出电子密度的分布。

图5 光线通过等离子体发生偏折

应用上，王琛等［15］设计了一种用激光作为探测光的反射式摩尔偏折仪，证实了实验的可行性；2002年又利用类镍－银13.9nm饱和X射线激光作为探针光，对C6H8靶产生的等离子体进行了诊断［16］，获得了包含等离子体电子密度信息的动态摩尔条纹。

4 Thomson散射诊断技术

Thomson散射能够以较高的时空分辨率测量等离子体的参数，如电子与离子温度、密度以及等离子体的膨胀速度、电离程度、热流等参数［17］，是一种主动而无干扰的对等离子体进行诊断的方法。其基本原理如下：电磁波照射到等离子体上时，带电粒子在电磁场的作用下加速运动，加速运动的带电粒子会向各个方向辐射电磁波，这就是Thomson散射。在激光等离子体中，一束探针光束通过等离子体时被等离子体中的波散射，散射光的功率谱由不同的电子散射电场干涉叠加而成，其分布可由等离子体中电子的偶极辐射近似获得：