等離子體參數(shù)的激光探針診斷技術(shù)＊

程 立 汪家春 周 瑞

（1.脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電子工程學(xué)院安徽省紅外與低溫等離子體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230037）（2.杭州筧橋94782部隊(duì) 杭州 310021）

1 引言

等離子體技術(shù)作為一種新概念的技術(shù)，受到世界廣泛關(guān)注，而其性能與其參數(shù)密不可分，等離子體參數(shù)診斷成為研究等離子體的一個(gè)重要方面。激光探針診斷技術(shù)作為一種等離子體主動(dòng)診斷技術(shù)，可以測(cè)量各種等離子體及各種參數(shù) （電子和離子密度、溫度、磁場(chǎng)等），而且具有很好的空間和時(shí)間分辨能力，對(duì)所研究的等離子體不會(huì)造成嚴(yán)重干擾。因此以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的診斷方法己在等離子體的實(shí)驗(yàn)研究中得到廣泛應(yīng)用，成為實(shí)驗(yàn)室等離子體和聚變實(shí)驗(yàn)研究的重要工具［1］。

激光探針診斷技術(shù)主要是通過(guò)分析探針光束通過(guò)變化的等離子體區(qū)域后的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)變化及散射情況，進(jìn)而得到等離子體的多種信息。其中，干涉法和電子密度相關(guān)，陰影法、紋影法和摩爾偏折法和等離子體密度梯度相關(guān)［2］，Thomson散射與等離子體的電離程度、膨脹速度、熱流等參數(shù)以及電子與離子密度、溫度相關(guān)，本文主要介紹激光作為探針診斷等離子體參數(shù)的干涉診斷技術(shù)、摩爾偏折診斷技術(shù)以及Thomson散射診斷技術(shù)。

2 干涉診斷技術(shù)

若介質(zhì)受到光照時(shí)其介質(zhì)的密度發(fā)生變化，則其折射率也將隨之發(fā)生變化，根據(jù)光線的位相變化即光程差來(lái)確定折射率，其直觀的反映就是干涉條紋的彎曲程度或移動(dòng)。在等離子體電子密度的診斷中，條紋移動(dòng)的數(shù)目N可由式（1）確定：

其中ne是電子的密度，nc是電子的臨界密度，L是等離子體的縱向尺寸，λ是探測(cè)光束的波長(zhǎng)。

在高度電離的稠密等離子體條件下，折射率n只取決于電子密度ne：

干涉法對(duì)光源要求較高，探測(cè)光源亮度要高，脈沖寬度要窄而且探針光與等離子體的過(guò)程要同步［3］。以下介紹幾種比較常用的干涉法診斷技術(shù)。

2.1 偏振光干涉診斷技術(shù)

偏振光干涉診斷技術(shù)用來(lái)探測(cè)中等密度的等離子體比較合適，而且還可以同時(shí)進(jìn)行激光等離子體自生磁場(chǎng)診斷。圖1是一種偏振光干涉診斷技術(shù)中使用的偏振干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置圖。干涉儀由起偏片、Wollaston棱鏡、檢偏片組成，探測(cè)光束通過(guò)Wol－laston棱鏡產(chǎn)生兩束振動(dòng)方向相互垂直且以小角度分開(kāi)的偏振光，這兩束光的干涉由兩片方向垂直或平行的偏振片實(shí)現(xiàn)。

圖1 偏振干涉儀

形成干涉部分：

圖2 干涉部分

干涉條紋的寬度可由式（3）得出：

其中λ為探測(cè)光束的波長(zhǎng)，θ為Wollaston棱鏡分束角。

應(yīng)用上，章輝煌等［4］利用266紫外激光探針測(cè)量了1.06μm主激光（3×1015W／cm2）輻射柱狀銅靶產(chǎn)生的等離子體密度分布；李玉同等［2］使用飛秒激光探針?lè)ǎ瑢?duì)飛秒激光等離子體膨脹過(guò)程進(jìn)行了光學(xué)診斷。實(shí)驗(yàn)得到了不同時(shí)刻的等離子體陰影圖和干涉圖；王傳珂等［5］采用兩級(jí)喇曼壓縮系統(tǒng)產(chǎn)生 的波長(zhǎng)為308nm的紫外光作為探針束，配合Nomarski偏振干涉儀對(duì)金平面靶冕區(qū)激光等離子體進(jìn)行診斷。

2.2 Mach－Zehnder干涉診斷技術(shù)

圖3是Mach－Zehnder干涉診斷技術(shù)中使用的Mach－Zehnder干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置圖。用于產(chǎn)生干涉的M－Z干涉儀由一對(duì)分束鏡（B1、B2）和一對(duì)平面鏡（M1、M2）組成，探測(cè)光束經(jīng)B1被分成兩束，一束經(jīng)過(guò)等離子體的為探測(cè)光，一束不經(jīng)過(guò)等離子體的為參考光。兩束光相遇后得到包含等離子體密度信息的干涉條紋。使用這種干涉儀要注意激光器的相干長(zhǎng)度，要得到清晰的干涉條紋必須使兩束光（參考光和探測(cè)光）的光程差小于激光器的相干長(zhǎng)度。

應(yīng)用上，劉大明等［6］利用激光標(biāo)準(zhǔn)干涉法診斷了準(zhǔn)分子激光（XeCl，308nm）在 YBa2Cu3O7－δ超 導(dǎo) 靶 面激勵(lì)等離子體的電子密度；陳林等［7］在文獻(xiàn)《激光干涉診斷ETC發(fā)射裝置產(chǎn)生的等離子體射流》中敘述了用光楔錯(cuò)位干涉與高速攝影技術(shù)診斷電熱化學(xué)（ETC）發(fā)射裝置中等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體射流的方法；王琛等［8］利用類鎳－銀X射線激光作為探針測(cè)得C8H8激光等離子體的電子密度達(dá)9.5×1020cm－3。

圖3 Mach－Zehnder干涉儀

2.3 全息干涉診斷技術(shù)

全息干涉法［9～10］適于對(duì)稠密等離子體或微型靶等離子體進(jìn)行診斷，是診斷等離子體電子密度的一個(gè)有效方法，它具有高時(shí)空分辨的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中采用雙曝光法記錄等離子體運(yùn)動(dòng)圖像，一次記錄加熱激光脈沖到達(dá)前的靜態(tài)全息圖，另一次記錄形成等離子體飛散過(guò)程的動(dòng)態(tài)像，將得到的兩幅圖像分別用MATLAB程序進(jìn)行處理，處理過(guò)程包括兩次傅里葉變換和相位解包裹，再對(duì)處理后的兩幅相位包裹圖進(jìn)行圖像相減，得到條紋形狀的相位差分布圖，從而得到因等離子體引入的光程差。

圖4 全息干涉示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，激光器發(fā)出的一束光經(jīng)分束鏡BS1分成兩束，一束為物光，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡BE1、針孔濾波器H1等照射激光等離子體，另一束為參考光，經(jīng)過(guò)BE2、H2和透鏡L2轉(zhuǎn)換為平行光，兩束光經(jīng)分束鏡BS2匯合后由CCD采集全息圖像，設(shè)計(jì)光路時(shí)使參考光和物光光程相等。

應(yīng)用上，袁永華等［11］拍攝激光產(chǎn)生蒸汽垌等離子體的全息干涉圖，并運(yùn)用Abel變換和Saha方程；豐善等［9］利用脈沖激光作為探測(cè)光源，采用全息雙曝光法對(duì)激光慣性約束核聚變高溫高稠度等離子體的診斷；對(duì)爭(zhēng)息干涉圈進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到對(duì)激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理研究的有用參數(shù)；董小剛［12］在文獻(xiàn)《實(shí)時(shí)全息用于強(qiáng)發(fā)光等離子體診斷的優(yōu)勢(shì)》中探討了實(shí)時(shí)全息用于強(qiáng)發(fā)光等離子體診斷的優(yōu)勢(shì)，著重討論了激光實(shí)時(shí)全息中的光強(qiáng)配合和全息光柵干涉濾波；彭能嶺等［13］介紹了在“星光Ⅱ”條件下設(shè)計(jì)的紫外皮秒紫外全息干涉系統(tǒng)的原理。

3 摩爾偏折診斷技術(shù)

摩爾偏折診斷技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)測(cè)量探針穿過(guò)介質(zhì)后，光束指向的偏折來(lái)獲得折射率信息，而摩爾條紋對(duì)微弱的光束偏折有放大作用，能夠精確地測(cè)量偏折角度，因此可配合偏折法進(jìn)行等離子體電子密度的測(cè)量［14］。

探測(cè)光線在密度分布不均勻的激光等離子體中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生偏折，其偏折角度φ與等離子體電子密度有關(guān)：

其中n、ne、nc分別為等離子體的折射率、電子數(shù)密度和臨界電子數(shù)密度。由式（4）可知，若能測(cè)量出光線的偏折角，就可以計(jì)算出電子密度的分布。

圖5 光線通過(guò)等離子體發(fā)生偏折

應(yīng)用上，王琛等［15］設(shè)計(jì)了一種用激光作為探測(cè)光的反射式摩爾偏折儀，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)的可行性；2002年又利用類鎳－銀13.9nm飽和X射線激光作為探針光，對(duì)C6H8靶產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行了診斷［16］，獲得了包含等離子體電子密度信息的動(dòng)態(tài)摩爾條紋。

4 Thomson散射診斷技術(shù)

Thomson散射能夠以較高的時(shí)空分辨率測(cè)量等離子體的參數(shù)，如電子與離子溫度、密度以及等離子體的膨脹速度、電離程度、熱流等參數(shù)［17］，是一種主動(dòng)而無(wú)干擾的對(duì)等離子體進(jìn)行診斷的方法。其基本原理如下：電磁波照射到等離子體上時(shí)，帶電粒子在電磁場(chǎng)的作用下加速運(yùn)動(dòng)，加速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子會(huì)向各個(gè)方向輻射電磁波，這就是Thomson散射。在激光等離子體中，一束探針光束通過(guò)等離子體時(shí)被等離子體中的波散射，散射光的功率譜由不同的電子散射電場(chǎng)干涉疊加而成，其分布可由等離子體中電子的偶極輻射近似獲得：

式中：ω為散射角頻率；ρ是接受立體角；I0為入射光強(qiáng)；s和E0分別表示散射方向和探針光偏振方向的單位矢量。散射波在探針光頻率附近處發(fā)生共振現(xiàn)象，這個(gè)范圍的散射光譜集中了等離子體的大量信息，通常用來(lái)研究散射過(guò)程中出現(xiàn)的豐富多彩的現(xiàn)象和特征。

應(yīng)用上，王哲斌等［18］在依據(jù)無(wú)碰撞、無(wú)磁場(chǎng)、麥克斯韋速度分布等離子體模型下的Thomson散射理論，研究了診斷系統(tǒng)的譜分辨率、收集立體角、Thomson散射參數(shù)α、等離子體參數(shù)梯度和電子的相對(duì)漂移速度對(duì)Thomson光譜擬合的影響；鄭堅(jiān)等［19］給出了湯姆孫散射實(shí)驗(yàn)的一些結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光探針診斷等離子體的手段日趨增多，伴隨相關(guān)研究的深入，激光探針診斷等離子體參數(shù)方法也將趨于準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便，這些技術(shù)都將為與等離子體參數(shù)相關(guān)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，激光探針診斷技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)等離子體參數(shù)診斷的重要手段。

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