飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统及测量方法与流程

本发明涉及高电压应用新，具体涉及一种飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统及测量方法。

背景技术：

1、飞秒激光在空气中通过克尔自聚焦效应形成光丝，经过自聚焦之后的光强度可达1018～1022w/cm2，其强度超过原子内部的库仑场，利用聚焦后的飞秒激光脉冲可将电子从原子的束缚中剥离出来，从而形成等离子体。飞秒激光成丝过程存在诸多复杂的非线性过程，如自聚焦、光致电离、自相位调制、自陡峭、衍射及散焦等，其成丝特性在高电压工程领域及大气探测领域有广阔的应用前景。

2、飞秒激光电学特性主要表现为光丝通道的等离子体密度特性，对于飞秒激光引起或诱导的各类放电，放电通道的电流特性与飞秒激光光丝的等离子体密度特性密切相关，有必要采用合理的研究方法对光丝通道等离子体密度特性进行研究。

3、因飞秒激光光丝具有距离长、功率高(tw)、持续时间短(ns)、通道半径小(100μm)等特点，且激光电离通道特征缺乏可重复性，常用的激光干涉等光学测量方法及电学测量布置难以获得完整光丝的等离子体密度分布特征，光丝的等离子体密度分布测量缺乏较好的实验系统。因此需要一种飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，具有通过单次实验测量光丝等离子体密度分布的测量能力，推进激光诱导高压放电、远距离探测等领域的发展。

4、相关技术中，申请公布号为cn109100262a的中国发明专利申请文献公开了一种飞秒激光成丝等离子体密度测量装置和测量方法，该装置中飞秒激光经过两块分束片分成三束光，分别作为泵浦光，第一探测光p1，第二探测光p2。泵浦光在气腔中成丝形成等离子体通道，第一探测光p1经过等离子体通道作为等离子体引入变化量的载体，再由第二探测光p2通过互相关测量观测出变化量的数值从而反推出等离子体密度。但该方案是采用光学方法进行测量，光学方法的探测范围取决于探测光光斑直径，若飞秒激光成丝距离较短，采用光学方法能够进行探测，但若成丝距离较长，超出光斑直径，则光学方法不再适应。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何通过单次实验实现全段光丝等离子体密度分布的测量。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、本发明提出了一种飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，所述系统包括：等离子体电荷量测量系统与光丝体积测量光路，所述光丝体积测量光路用于测量光丝体积，所述等离子体电荷量测量系统包括脉冲激光光源、第一引导光路、电荷迁移装置和触发光路，第一引导光路布置在所述脉冲激光光源与所述电荷迁移装置之间，所述触发光路用于调整所述脉冲激光光源产生激光入射至所述电荷迁移装置的时间；

4、所述电荷迁移装置包括直流电压发生器、高压板电极、屏蔽板电极、采样电阻以及至少分立板电极组，所述高压板电极接入所述直流电压发生器，所述分立板电极组包括若干分立板电极，各所述分立板电极沿所述激光方向间隔布置且覆盖全段光丝，所述分立板电极与所述屏蔽板电极分别经采样电阻接地。

5、进一步地，所述屏蔽板电极包括第一屏蔽板电极和第二屏蔽板电极，所述第一屏蔽板电极和所述第二屏蔽板电极分别布置在所述分立板电极组的两侧。

6、进一步地，所述第一屏蔽板电极和所述第二屏蔽板电极均沿激光方向布置且长度大于或等于3cm，所述第一屏蔽板电极和所述第二屏蔽板电极与相邻所述分立板电极的间距小于0.5mm。

7、进一步地，所述脉冲激光光源为高功率超短脉冲激光光源。

8、进一步地，所述第一引导光路包括若干反射镜与一面凸透镜，所述凸透镜的几何焦距为5m。

9、进一步地，所述光丝体积测量光路包括第二引导光路、石英玻璃、相机和滤光镜，经所述第一引导光路出射的激光与所述石英玻璃的光入射面夹角大于120°，所述相机的光入射面与所述石英玻璃的光入射面平行，所述滤光镜布置在所述石英玻璃的散射光路径上；

10、所述相机用于接收所述滤光镜的出射光，获得相机照片的光学图像面积s。

11、此外，本发明还提出了一种飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量方法，用于采用如上所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统进行光丝等离子体密度分布测量，所述方法包括以下步骤：

12、打开所述脉冲激光光源，发射激光；

13、所述脉冲激光光源发射的激光经所述第一引导光路后入射至所述电荷迁移装置，通过电压探头读取各所述采样电阻两端电压测量信号；

14、利用所述光丝体积测量光路测量激光的分段光丝体积；

15、基于各所述采样电阻两端电压测量信号与所述分段光丝体积，测量全段光丝等离子体密度分布。

16、进一步地，所述利用所述光丝体积测量光路测量激光的分段光丝体积，包括：

17、所述激光经第二引导光路出射的激光入射所述石英玻璃，所述石英玻璃的散射光入射至滤光镜；

18、利用所述相机接收所述滤光镜的出射光，获得相机照片的光学图像面积s；

19、基于所述光学图像面积s与各所述分立板电极的长度，计算激光的分段光丝体积。

20、进一步地，所述基于各所述采样电阻两端电压测量信号与所述分段光丝体积，测量全段光丝等离子体密度分布，计算公式为：

21、

22、式中：u(t)表示每个所述分立板电极所连接采样电阻两端电压测量信号，r表示所述采样电阻的阻值，s表示所述激光的光丝光学图像面积，l表示所述分立板电极的长度，t表示时间。

23、本发明的优点在于：

24、(1)本发明通过设置等离子体电荷量测量系统与光丝体积测量光路，其中，等离子体电荷量测量系统中的电荷迁移装置设置了分立板电极组，基于分立板电极组中各分立板电极所连接的采样电阻两端的电压测量信息，从而确定激光分段光丝的电荷量，以及通过光丝体积测量光路测量激光光丝的光学图像面积，从而确定激光的分段光丝体积，根据激光分段光丝的电荷量和分段光丝体积，测量激光全段光丝等离子体密度分布；并且可以通过改变分立电极长度l与数量n，可对不同长度的光丝等离子体密度分布进行测量，对激光引导长距离高压放电、激光引雷、激光远程探测等技术发展具有重要意义。

25、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，其特征在于，所述系统包括：等离子体电荷量测量系统与光丝体积测量光路，所述光丝体积测量光路用于测量光丝体积，所述等离子体电荷量测量系统包括脉冲激光光源、第一引导光路、电荷迁移装置和触发光路，第一引导光路布置在所述脉冲激光光源与所述电荷迁移装置之间，所述触发光路用于调整所述脉冲激光光源产生激光入射至所述电荷迁移装置的时间；

2.如权利要求1所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，其特征在于，各所述分立板电极沿激光方向布置，各所述分立板电极等间距布置。

3.如权利要求1所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，其特征在于，所述屏蔽板电极包括第一屏蔽板电极和第二屏蔽板电极，所述第一屏蔽板电极和所述第二屏蔽板电极分别布置在所述分立板电极组的两侧。

4.如权利要求3所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，其特征在于，所述第一屏蔽板电极和所述第二屏蔽板电极均沿激光方向布置，所述第一屏蔽板电极和所述第二屏蔽板电极与相邻所述分立板电极存在间距。

5.如权利要求1所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，其特征在于，所述脉冲激光光源为高功率超短脉冲激光光源。

6.如权利要求1所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，其特征在于，所述第一引导光路包括由若干反射镜组成的第一反射镜组与一面凸透镜，所述凸透镜布置在所述第一反射镜组的反射光光路上。

7.如权利要求1所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统，其特征在于，所述光丝体积测量光路包括第二引导光路、石英玻璃、相机和滤光镜，经所述第一引导光路出射的激光与所述石英玻璃的光入射面夹角大于120°，所述相机的光入射面与所述石英玻璃的光入射面平行，所述滤光镜布置在所述石英玻璃的散射光路径上；

8.一种飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量方法，其特征在于，用于采用如权利要求1～7任一项所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统进行光丝等离子体密度分布测量，所述方法包括：

9.如权利要求8所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量方法，其特征在于，所述利用所述光丝体积测量光路测量激光的分段光丝体积，包括：

10.如权利要求8所述的飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量方法，其特征在于，所述基于各所述采样电阻两端电压测量信号与所述分段光丝体积，测量全段光丝等离子体密度分布，计算公式为：

技术总结
本发明公开一种飞秒激光光丝等离子体密度分布的测量系统及测量方法，系统包括：等离子体电荷量测量系统与光丝体积测量光路，光丝体积测量光路用于测量光丝体积，等离子体电荷量测量系统包括脉冲激光光源、第一引导光路、电荷迁移装置和触发光路，第一引导光路布置在脉冲激光光源与电荷迁移装置之间，触发光路用于调整脉冲激光光源产生激光入射至电荷迁移装置的时间；电荷迁移装置包括直流电压发生器、高压板电极、屏蔽板电极、采样电阻以及至少分立板电极组，高压板电极接入所述直流电压发生器，分立板电极组包括若干分立板电极，各分立板电极沿所述激光方向间隔布置且覆盖全段光丝，分立板电极与屏蔽板电极分别经采样电阻接地。

技术研发人员：裴哲浩,傅中,张乔根,程晨,赵爱华,胡丹,朱太云,文韬,杜斌,刘晓松
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13