[发明专利]飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统，将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，并基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论建立衍射模型；将探测到的衍射光谱与基于衍射模型得到的衍射光谱进行拟合，得到探测光相移频域演变，进而得到等离子体参数的时域演变；本发明可在单发测量内获取等离子体的时空演变过程，在测量过程中无需调节装置中的延迟线重复测量，极大地简化了操作过程，节省了测量时间，降低了测量误差，提高了检测精确度；并且，本发明只需要单次拟合衍射光谱，便可计算获取等离子体参数的时域演变，无需多次提取拟合，极大程度上提高了参数获取速度。

技术领域

本发明属于等离子体参数测量领域，更具体地，涉及一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统。

背景技术

研究飞秒激光诱导等离子体是研究激光-物质相互作用机理的重要前提。飞秒激光脉冲在气体(如空气)中聚焦后，气体分子在超短的时间内吸收光子，随后以多光子电离和雪崩电离的形式进行电离，在焦点区域形成由大量自由电子、离子以及分子组成的热等离子体团簇。得益于该等离子体团簇的极端物理条件(如超高温度、压力和电子密度)，飞秒激光诱导气体电离已经广泛应用于激光引雷、激光点火、遥感以及激光高速开关等领域。并且，掌握飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的性质是研究飞秒激光烧蚀等离子体的基础。因此，准确表征飞秒激光诱导气体电离的演变过程及等离子体参数具有十分重要的意义。然而，由于气体电离过程时间短，形成的等离子体团簇尺寸小，现在市售的常规探测器无法满足测量需求。

目前对于超短脉冲激发气体电离等离子体参数的动态测量方法主要有两种。一种是干涉测量方法，其原理是使用一束探测光通过电离区域，然后与另一束参考光进行干涉，通过解析干涉条纹获取探测光的相移信息；另一种是纵向衍射测量方法，该方法相比于干涉测量方法，则不需要参考光路，一束探测光通过等离子体团簇后，在探测器上形成衍射条纹，通过理论解析该衍射条纹，来获探测光的相移信息。这两种方法均可获取探测光通过等离子体团簇后产生的相移，然后通过建立相移与等离子体参数(如电子密度和折射率)之间的映射关系，最终获取等离子体参数信息。如2005年，上海光机所的J.Liu等人提出了一种纵向衍射测量装置来测量飞秒激光诱导空气电离等离子体的电子密度和尺寸，该方法将泵浦光和探测光设置为同轴光束，使用CCD相机记录探测光经过等离子体后形成的衍射环，然后通过衍射条纹拟合来获取等离子体参数。然而，这两种方法每次测量均只能获取单一时刻下的等离子体状态。为了获取等离子体的时域演变过程，需要不断调节泵浦脉冲与探测脉冲之间的延迟时间，通过多发次脉冲实验来构建出等离子体的时域演变曲线。这种多发次脉冲测量实验极易引入系统误差，对实验系统的稳定性要求高，测量过程繁琐，并且需要多次数据处理。为了解决上述问题，在2000年，C.Y.Chien等人将啁啾脉冲与干涉测量结合，提出单发脉冲频域干涉测量方法来测量等离子体动力学，但是该方法要求精准调控脉冲之间的时序，以保证参考光束在泵浦光束之前，参考光与泵浦光在时间上的同步性。该方法光路复杂，且对光路调节提出了极高的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法及系统，用以解决现有技术无法简单快速精确的获取飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体参数的动态演变的技术问题。

为了解决上述目的，第一方面，本发明提供了一种飞秒激光诱导气体电离的等离子体参数的测量方法，包括以下步骤：

S1、将皮秒激光作为探测光对飞秒激光诱导气体电离所得的等离子体的动态演变过程进行探测，得到等离子体的衍射光谱I_meas(ω,r)；其中，ω为衍射光谱的频率尺度，r为衍射光谱的空间尺度；皮秒激光为线性啁啾脉冲；

S2、基于夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射理论，建立衍射模型以表征等离子体半径r_p、探测光相移与衍射光谱的频率尺度ω和空间尺度r之间的物理映射关系；