易调节的气体密度测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光等离子体相互作用领域中气体密度的测量，具体是一种易调节的 气体密度测量系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着激光等离子体相互作用特别是基于尾波场加速产生高能电子束领域的快速 发展，气体介质作为相互作用的关键区域，影响电子束的能量与电量，需要一定的手段探测 相互作用区域内气体密度的分布。
[0003] 传统的干涉仪如迈克尔逊干涉仪、泰曼干涉仪等，均采用平面镜作为反射镜，在调 节平面镜时，需要保证平面镜与入射光束的方向保持垂直，平面镜如果有一个小角度的转 动，就会同时引起光束俯仰和左右的变化，导致干涉条纹质量变差，甚至得不到干涉条纹。
[0004] 这些方案虽然也可以用于测量气体密度分布，但是大大增加了系统调节的复杂 性，费时费力，因此需要一种易于调节，精度较高的干涉系统作为测量气体密度分布的装 置。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对传统的干涉探测系统存在的缺陷，提供一种易于调节、高分 辨率的易调节的气体密度测量系统，利用直角反射棱镜代替传统的平面反射镜，所述直角 反射棱镜固定于可调节的光学镜架上，调节光学镜架时，直角反射棱镜在两个维度上转动， 但只有一个维度上对于光束的方向产生影响，从而实现对于光束的俯仰和左右分开调节。 能够有效的降低干涉系统调节的复杂性，操作简单，并且具有较高的探测分辨率。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种易调节的气体密度测量系统，包括:具有入射窗片和出射窗片的真空腔，探测 光束经过入射窗片进入到该真空腔内，在该真空腔内沿探测光路方向依次在光学平台上固 定有第一反射镜、第二反射镜、第一激光衰减片、起偏格林棱镜、第三反射镜和短焦透镜，探 测光束经出射窗片输出，在所述的第三反射镜和短焦透镜之间设有喷气阀，该喷气阀通过 气体管道与真空腔外部气体瓶相连接，通过气体瓶开关控制是否喷气;沿所述的出射窗片 的输出光束方向依次放置有长焦透镜、小孔光阑和分光镜，该分光镜将探测光束分为透射 光束和反射光束，透射光束为光束一，反射光束为光束二，所述长焦透镜与短焦透镜之间的 距离为两透镜的焦距之和；
[0008] 在所述光束一光路方向设有第一直角反射棱镜，该第一直角反射棱镜的三角形平 面固定于第一可调节光学镜架的上表面，该第一直角反射棱镜的斜边所对应的平面与光束 一的光路方向垂直，所述光束一经该第一直角反射棱镜反射后再经所述分光镜反射后通过 第二激光衰减片进入(XD;
[0009] 在所述光束二光路方向设有第二直角反射棱镜，该第二直角反射棱镜三角形平面 固定于第二可调节光学镜架的侧面，该第二可调节光学镜架固定在水平导轨上，第二直角 反射棱镜的斜边所对应的平面与光束二的光路方向垂直，所述光束二经过第二直角反射棱 镜反射后，再经所述分光镜透射后通过第二激光衰减片进入(XD 16，与光束一发生干涉。 [00?0]探测光路的中心波长为800nm，反射镜对于800nm波长的光具有尚反射率;所述格 林棱镜作为光束的起偏器，该棱镜为透射式偏振装置，具有极高的消光比，以保证探测光束 线偏振的特性;所述格林棱镜对光强具有阈值要求，为了避免光强过高损坏棱镜，需要在格 林棱镜前放置合适的衰减片。
[0011]所述扩束系统由一个短焦透镜和一个长焦透镜组成，其作用是将探测光路进行放 大(放大的倍数取决于两个透镜的焦距之比），以提高探测的分辨率。
[0012]由光阑、分光镜、直角反射棱镜和CCD组成干涉模块，所述分光镜具有50 %、50 %的 透射率和反射率，且与光束成45°角放置;所述直角反射棱镜斜边对应的平面与探测光束垂 直，且固定于可调节的光学镜架上，所述第一直角反射棱镜三角形平面固定于第一可调节 光学镜架的上表面，当调节镜架的旋钮时，该直角反射棱镜在两个维度上转动，水平方向上 的转动不影响光束的方向，竖直方向上的转动调节光束的俯仰，从而实现对于干涉条纹方 向的调节;所述第二直角反射棱镜三角形的平面固定在第二可调节光学镜架的侧面，当调 节镜架的旋钮时，该直角反射棱镜在两个维度上转动，水平方向上的转动调节光束的左右， 而竖直方向上的转动不影响光束的方向，从而实现对于干涉条纹间距的调节;所述第二可 调节光学镜架固定于水平移动的水平导轨上，用于调节两相干光束的延时；探测光束经过 分光镜分光后，分别经过所述两个直角反射棱镜反射，再次经过分光镜后，入射至CCD处，为 了避免光强过大损坏CCD，在CCD镜头前加入合适的衰减片。
[0013] 另一方面，本发明还公开了一种利用上述易调节的气体密度测量系统的进行气体 密度的测量方法，包括以下步骤：
[0014] (1)关闭喷气阀，将光阑的小孔调至最小，同时调节第一可调节光学镜架和第二可 调节光学镜架使CCD上光束一与光束二的光斑重合；
[0015] (2)将光阑开至最大，同时调节第一可调节光学镜架和水平导轨，使CCD上干涉条 纹竖直；
[0016] (3)调节第二可调节光学镜架和水平导轨，使(XD上的干涉条纹在屏幕上的间距为 4-7mm；
[0017] (4)打开喷气阀，观测干涉条纹弯曲的区域与弯曲程度，计算气体密度分布。
[0018] 本发明的基本原理是利用分别通过待测气体和不通过待测气体的两束相干光产 生的干涉条纹，通过测量干涉条纹的弯曲程度和范围得出等离子体通道的尺度与通道内气 体密度的分布。采用两个相互垂直的直角反射棱镜，每个直角反射棱镜对光束只实现一个 方向上的调节，从而实现对于干涉条纹的方向和条纹间距的调节。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下显著特点：
[0020] 1、利用相互垂直的直角反射棱镜代替传统的反射镜，将对光束俯仰和左右的调节 分开，降低干涉系统调节的复杂性，具有操作简单，方便高效等优点。
[0021] 2、加入水平导轨用于调节延时，配合棱镜对于光束的俯仰和左右的调节，实现对 于干涉条纹方向与条纹间距的调节。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明易调节气体密度测量系统的结构示意图
[0023] 图2为第一直角反射棱镜13、第一可调节光学镜架的结构示意图
[0024] 图3为第二直角反射棱镜14、第二可调节光学镜架和水平导轨的结构示意图
[0025] 图4为实验中实际测量的干涉条纹
[0026] 图5为根据图4计算出的气体密度分布图
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。
[0028] 请先参阅图1，图1为本发明易调节的气体密度测量系统一个实施例的结构示意 图。由图可见，本实施例易调节的气体密度测量系统的结构包括:探测光束经过入射窗片1 进入到真空腔，在探测光路前进的方向上，依次固定有对800nm的光具有极高反射率的第一 反射镜2和第二反射镜3，探测光束经过第一反射镜2和第二反射镜3反射后，依次通过第一 激光衰减片4、起偏格林棱镜5和第三反射镜6后到达喷气阀7处，喷气阀7通过气体管道与外 界气体瓶连接，通过气体瓶的开关控制是否喷气;在喷气区域，通过喷气的那部分探测光光 程会增加，而未通过喷气的那部分探测光光程未发生变化;该探测光接下来通过短焦透镜 8、出射窗片9和长焦透镜10,所述短焦透镜8与长焦透镜10组成扩束系统，短焦透镜8和长焦 透镜10之间通过出射窗片9过渡，本实施例中，短焦透镜8与长焦透镜10的焦距依次为20cm 和50cm，放大倍数为2.5倍;经过所述扩束系统的探测光束进入干涉模块，经过分光镜12分 光形成两光束，透射光束为光束一，反射光束为光束二;光束一通过第一直角反射棱镜13反 射和分光镜12反射后，通过第二激光衰减片15进入到CCD 16中；光束二通过第二直角反射 棱镜14反射和分光镜12透射后，通过第二激光衰减片15进入到CCD 16中，与光束一发生干 涉。
[0029] 本发明的实施例中，是研究激光等离子体尾波场加速电子，由于所用激光光束的 功率特别高，为了避免光束将空气击穿发生成丝等各种非线性效应，需要将其置于真空腔 内；所述扩束系统中的短焦透镜需要放置在距离喷嘴较近的位置，因此也位于真空腔内；而 由于长焦透镜焦距较长，将所述扩束系统中的长焦透镜放置于真空腔外，两个透镜之间通 过出射窗片过渡;为了便于调节，将所述干涉模块也置于真空腔外部。
[0030]图2为第一直角反射棱镜13和第一可调节光学镜架17的结构示意图，所述第一直 角反射棱镜13三角形所对应的平面固定于第一可调节光学镜架17的上表面，所述第一可调 节光学镜架17上有三个旋