[发明专利]激光等离子体电子密度测量方法

摘要

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。

主权项

1.一种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的方法，所述的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，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；其特征在于，该测量方法包括以下步骤：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，聚焦光束与放置的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，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