等離子體參數的激光探針診斷技術＊

程 立 汪家春 周 瑞

（1.脈沖功率激光技術國家重點實驗室，電子工程學院安徽省紅外與低溫等離子體重點實驗室 合肥 230037）（2.杭州筧橋94782部隊 杭州 310021）

1 引言

等離子體技術作為一種新概念的技術，受到世界廣泛關注，而其性能與其參數密不可分，等離子體參數診斷成為研究等離子體的一個重要方面。激光探針診斷技術作為一種等離子體主動診斷技術，可以測量各種等離子體及各種參數 （電子和離子密度、溫度、磁場等），而且具有很好的空間和時間分辨能力，對所研究的等離子體不會造成嚴重干擾。因此以激光技術為基礎的診斷方法己在等離子體的實驗研究中得到廣泛應用，成為實驗室等離子體和聚變實驗研究的重要工具［1］。

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

2 干涉診斷技術

若介質受到光照時其介質的密度發生變化，則其折射率也將隨之發生變化，根據光線的位相變化即光程差來確定折射率，其直觀的反映就是干涉條紋的彎曲程度或移動。在等離子體電子密度的診斷中，條紋移動的數目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是探測光束的波長。

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：

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

2.1 偏振光干涉診斷技術

偏振光干涉診斷技術用來探測中等密度的等離子體比較合適，而且還可以同時進行激光等離子體自生磁場診斷。圖1是一種偏振光干涉診斷技術中使用的偏振干涉儀實驗裝置圖。干涉儀由起偏片、Wollaston棱鏡、檢偏片組成，探測光束通過Wol－laston棱鏡產生兩束振動方向相互垂直且以小角度分開的偏振光，這兩束光的干涉由兩片方向垂直或平行的偏振片實現。

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為探測光束的波長，θ為Wollaston棱鏡分束角。

應用上，章輝煌等［4］利用266紫外激光探針測量了1.06μm主激光（3×1015W／cm2）輻射柱狀銅靶產生的等離子體密度分布；李玉同等［2］使用飛秒激光探針法，對飛秒激光等離子體膨脹過程進行了光學診斷。實驗得到了不同時刻的等離子體陰影圖和干涉圖；王傳珂等［5］采用兩級喇曼壓縮系統產生 的波長為308nm的紫外光作為探針束，配合Nomarski偏振干涉儀對金平面靶冕區激光等離子體進行診斷。

2.2 Mach－Zehnder干涉診斷技術

圖3是Mach－Zehnder干涉診斷技術中使用的Mach－Zehnder干涉儀實驗裝置圖。用于產生干涉的M－Z干涉儀由一對分束鏡（B1、B2）和一對平面鏡（M1、M2）組成，探測光束經B1被分成兩束，一束經過等離子體的為探測光，一束不經過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度，要得到清晰的干涉條紋必須使兩束光（參考光和探測光）的光程差小于激光器的相干長度。

應用上，劉大明等［6］利用激光標準干涉法診斷了準分子激光（XeCl，308nm）在 YBa2Cu3O7－δ超 導 靶 面激勵等離子體的電子密度；陳林等［7］在文獻《激光干涉診斷ETC發射裝置產生的等離子體射流》中敘述了用光楔錯位干涉與高速攝影技術診斷電熱化學（ETC）發射裝置中等離子體發生器產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得C8H8激光等離子體的電子密度達9.5×1020cm－3。

圖3 Mach－Zehnder干涉儀

2.3 全息干涉診斷技術

全息干涉法［9～10］適于對稠密等離子體或微型靶等離子體進行診斷，是診斷等離子體電子密度的一個有效方法，它具有高時空分辨的特點。實驗中采用雙曝光法記錄等離子體運動圖像，一次記錄加熱激光脈沖到達前的靜態全息圖，另一次記錄形成等離子體飛散過程的動態像，將得到的兩幅圖像分別用MATLAB程序進行處理，處理過程包括兩次傅里葉變換和相位解包裹，再對處理后的兩幅相位包裹圖進行圖像相減，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

實驗裝置如圖4所示，激光器發出的一束光經分束鏡BS1分成兩束，一束為物光，經過擴束鏡BE1、針孔濾波器H1等照射激光等離子體，另一束為參考光，經過BE2、H2和透鏡L2轉換為平行光，兩束光經分束鏡BS2匯合后由CCD采集全息圖像，設計光路時使參考光和物光光程相等。

應用上，袁永華等［11］拍攝激光產生蒸汽垌等離子體的全息干涉圖，并運用Abel變換和Saha方程；豐善等［9］利用脈沖激光作為探測光源，采用全息雙曝光法對激光慣性約束核聚變高溫高稠度等離子體的診斷；對爭息干涉圈進行數據處理，得到對激光與物質相互作用機理研究的有用參數；董小剛［12］在文獻《實時全息用于強發光等離子體診斷的優勢》中探討了實時全息用于強發光等離子體診斷的優勢，著重討論了激光實時全息中的光強配合和全息光柵干涉濾波；彭能嶺等［13］介紹了在“星光Ⅱ”條件下設計的紫外皮秒紫外全息干涉系統的原理。

3 摩爾偏折診斷技術

摩爾偏折診斷技術的實質是通過測量探針穿過介質后，光束指向的偏折來獲得折射率信息，而摩爾條紋對微弱的光束偏折有放大作用，能夠精確地測量偏折角度，因此可配合偏折法進行等離子體電子密度的測量［14］。

探測光線在密度分布不均勻的激光等離子體中傳播時會發生偏折，其偏折角度φ與等離子體電子密度有關：

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

圖5 光線通過等離子體發生偏折

應用上，王琛等［15］設計了一種用激光作為探測光的反射式摩爾偏折儀，證實了實驗的可行性；2002年又利用類鎳－銀13.9nm飽和X射線激光作為探針光，對C6H8靶產生的等離子體進行了診斷［16］，獲得了包含等離子體電子密度信息的動態摩爾條紋。

4 Thomson散射診斷技術

Thomson散射能夠以較高的時空分辨率測量等離子體的參數，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［17］，是一種主動而無干擾的對等離子體進行診斷的方法。其基本原理如下：電磁波照射到等離子體上時，帶電粒子在電磁場的作用下加速運動，加速運動的帶電粒子會向各個方向輻射電磁波，這就是Thomson散射。在激光等離子體中，一束探針光束通過等離子體時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；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生共振現象，這個范圍的散射光譜集中了等離子體的大量信息，通常用來研究散射過程中出現的豐富多彩的現象和特征。

應用上，王哲斌等［18］在依據無碰撞、無磁場、麥克斯韋速度分布等離子體模型下的Thomson散射理論，研究了診斷系統的譜分辨率、收集立體角、Thomson散射參數α、等離子體參數梯度和電子的相對漂移速度對Thomson光譜擬合的影響；鄭堅等［19］給出了湯姆孫散射實驗的一些結果。

5 結語

近年來，隨著激光技術的發展，激光探針診斷等離子體的手段日趨增多，伴隨相關研究的深入，激光探針診斷等離子體參數方法也將趨于準確、簡便，這些技術都將為與等離子體參數相關研究提供基礎數據，激光探針診斷技術將成為實現等離子體參數診斷的重要手段。

［1］唐恩凌，張慶明.低溫等離子體診斷分析［J］.電工材料，2008，（2）：46.

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［3］劉振.用馬赫一貞德干涉儀測量噴氣式Z箍縮等離子體密度［J］.強激光與粒子束，2004，16（1）：129.

［4］章輝煌，林尊琪，等.激光等離子體2660A°紫外探針及干涉系統［J］.強激光與粒子束，1989，1（2）.

［5］王傳珂，劉慎業，等.兩級喇曼壓縮系統配偏振干涉儀診斷等離子體電子密度［J］.強激光與粒子束，2005，17（6）：861.

［6］劉大明，焦樹良，等.用激光干涉法診斷準分子激光在YBa2Cu3O7－δ靶面激勵等離子體的電子密度［J］.光學學報，1993，13（10）：898.

［7］陳林，宋盛義，等.激光干涉診斷電熱化學發射裝置產生的等離子體射流［J］.光電子技術與信息，2001，14（6）：22.

［8］王琛，王偉.利用X射線激光干涉診斷等離子體電子密度［J］.物理學報，2005，54（1）.

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［11］袁永華，劉常玲，等.全息術診斷激光產生蒸汽羽等離子體［J］.強激光與粒子束，1992，4（3）：431.

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［13］彭能嶺，李文洪，等.等離子體電子密度診斷的全息干涉法［J］.強激光與粒子束，2002，14（2）：254.

［14］管瀟津.等離子體過程診斷與應用［J］.保定師范專科學校學報，2004，17（2）：21.

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［18］王哲斌，趙斌.激光等離子體中Thomson散射光譜的擬合［J］.物理學報，2005，54（1）：212.

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