[发明专利]飞秒激光等离子体通道长度的测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体检测，特别是一种飞秒激光等离子体通道长度的测量装置 与方法。

背景技术

在强飞秒激光在空气中传输的过程中，当由于克尔效应产生的自聚焦与电离空 气后产生的等离子体引起的散焦达到一种动态平衡时，激光在空气中自导引传输， 形成了很长的等离子体通道，这就是成丝现象。这种稳定的长等离子体通道表现出 很多具有研究意义的新物理过程和潜在的广阔应用前景。对于等离子体通道长度的 测定对于飞秒激光在激光雷达、远程探测以及激光引雷等方面应用具有重要意义。

A.Iwasak等人曾在文章“ALIDARtechniquetomeasurethefilamentlength generatedbyahigh-peakpowerfemtosecondlaserpulseinair”[Applied PhysicsB,76，2003]中提出了利用激光雷达的方法对等离子通道长度进行测量， 沿光丝纵向收集并探测后向氮气分子散射荧光，根据氮气分子荧光与激光等离子内 部等离子体密度的对应关系，从而实现对激光等离子体通道长度的测量。这种方法 对要求的较为复杂的装置，光路较为复杂，实验难度较大，而且对于飞秒激光等离 子体通道内弱电离区较难探测，因此测量结果精度不高。另外，郝作强等在文章“用 声学诊断方法测量激光等离子体通道的长度与电子密度”[物理学报,54(3),2005] 利用等离子体产生的声波信号对飞秒激光等离子体通道长度进行的了测量，利用声 音信号强度与等离子体通道内电子密度对应关系，得到激光等离子体通道长度信 息，然而这种方法无法对激光等离子体通道内弱电离区测量，因此存在较大误差。

王铁军等人曾在专利“温度气压可控的激光诱导高压放电模拟系统”

[201510054206.7]中发明了一个密封的激光诱导高压放电模拟系统，包括抽气装 置、水冷装置来实现金属实验箱内的温度气压可调，该装置不足在于箱体设计较为 复杂，拆卸较为繁琐，且无法实现从金属实验箱体上方对实验现象进行观察与探测。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上在先技术的不足，提出一种飞秒激光等离子体通 道长度的测量装置与方法，该装置和方法测量使用方便，不需要复杂装置，简便易 行，测量精度高，可实现精确的飞秒激光等离子体通道长度测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒激光等离子体通道长度的测量装置，特点在于其构成包括：钛宝石激 光器、聚焦透镜、金属法拉第笼、光束收集装置、高压电源、有机玻璃衬底、绝缘 塑料杆、金属锥形电极和数码相机；

所述的金属法拉第笼的四个侧面为金属，其中两个对应侧面中心分别设有第一 激光通光窗口和第二激光通光窗口，所述的金属法拉第笼的底面为具有阵列螺孔的 有机玻璃衬底，所述的金属锥形电极经绝缘转换体与缘塑料螺杆的一端固定连接， 该绝缘塑料杆的另一端固定在所述的绝缘有机玻璃衬底的螺孔中，所述的金属锥形 电极通过高压电缆与所述的高压电源相连，所述的金属法拉第笼接地；

所述的钛宝石激光器射出的激光经聚焦透镜聚焦后，通过第一激光通光窗进入 金属法拉第笼形成飞秒激光等离子体通道，再通过第二激光通光窗口进入光束收集 装置；所述的数码相机在金属法拉第笼上方垂直拍摄。

所述的金属锥形电极的中心轴线与激光等离子体通道垂直并处于同一水平面 内，该金属锥形电极的尖端与飞秒激光等子体通道之间的水平距离为1mm，并处在 飞秒等离子体通道的中部。

一种飞秒激光等离子体通道长度的测量方法，其特点在于，该方法包括如下步 骤：

步骤1，从0KV开始，以5KV为步长，调节高压电源逐渐增大加载在金属锥 形电极上的电压，同时使用数码相机拍摄不同电压下激光诱导电晕放电的荧光图 片；

步骤2，观察所拍摄的激光诱导电晕放电的荧光图片，当可探测到的飞秒激光 等离子体通道内弱电离区域保持不变时，根据该电压下拍摄的激光等离子体诱导电 晕放电的荧光图片，对激光等离子体通道区域内的每一列像素点强度值进行积分得 到沿激光等离子体通道荧光强度的分布曲线，则飞秒激光等离子体通道的有效长度 就为荧光曲线的全宽度。

与现有技术相比，本发明的优点：

利用激光诱导电晕放电对飞秒激光等离子体通道长度进行测量，由于在电场的 作用下飞秒激光等离子体通道内的弱电离区被增强，使得测量结果更加精确。