专利名称：空气中激光等离子体通道寿命的测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及激光等离子体，特别是一种空气中激光等离子体通道寿命的测量装置及其测量方法。
背景技术：
飞秒超强激光脉冲在空气中传输时，由于空气中的克尔效应产生的自聚焦过程与光束衍射和等离子体通道的自散焦过程形成了一种动态平衡，从而出现了成丝现象。由于强激光脉冲的传播过程中产生的成丝现象具有潜在的广泛应用，因此，它引起了科研人员的极大兴趣。目前国内外有关成丝现象的报道中，已经能够得到10m以上的等离子体通道。在实际应用中，人们往往希望增加等离子体通道的长度，提高等离子体的电离度，同时延长等离子体通道的寿命。因此，有关等离子体通道寿命的测量成为人们研究的关键技术之一。
传统的激光等离子体通道寿命的测量一般采用光电测量系统。电子和离子符合时所发射的光的寿命，反应了等离子体存在的时间，通过测量这个量来简单估计通道存在的时间。但是，用于测量中使用了光电管，而该光电系统自身存在的时间响应约为几个纳秒，与激光等离子体通道的寿命时间量级(几十纳秒)相比，不可忽略，因此，必须进行其他的数学分析过程(如反卷积)，以估计等离子体通道寿命，显然测量误差是不可忽视的。
光学纵向衍射技术也被用来测量等离子体通道的寿命。该技术是利用泵浦-探测测量，并通过分析泵浦光经过等离子体通道后得到的衍射图样得到有关等离子体通道中的有关电子密度的信息，通过改变泵浦光和探测光之间的间隔得到不同时刻的电子密度信息，从而分析出等离子体通道寿命。使用该技术由于它所能测量的电子密度(通常最低量级在1016cm-3)的限制，所以它只能测量通道寿命小于1个纳秒的电子密度变化信息。这对于激光等离子体通道寿命的分析来说是远远不够的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种空气中激光等离子体寿命的测量装置及其测量方法，该测量装置应具有简洁、数据采集的便捷、数据分析的直观、测量范围更大的特点，以方便且准确的得到有关空气中激光等离子体寿命的信息，得到在电子密度更低时，如1015cm-3或1014cm-3时的电子数的变化曲线是本发明所要解决的问题。
本发明的基本构思是直接测量空气中激光等离子体内的电子所产生的电信号。飞秒超强激光在空气中传输时的成丝的内部有大量的自由电子。等离子体通道内部的电信号的变化过程可以反映成丝内自由电子的衰减过程。因此可以通过测量等离子体通道内部的电信号的变化过程，以得到通道的寿命信息以及通道存在时间内电子密度的演化曲线。
本发明的技术解决方案如下一种空气中激光等离子体通道寿命的测量装置，其特征在于一根直径≤0.5mm金属丝即金属探针，由一个位于导轨上的三维绝缘调整座夹持，该金属探针的末端与带宽≥500MHz的示波器的探头的一端相连，该示波器的探头的另一端接地。
所述的三维绝缘调整座置于一个导轨上，并可在导轨上移动。
利用上述的测量装置对空气中激光等离子体通道寿命的测量方法，该方法包括下列步骤①激光器产生的激光光束经过第一反射镜和第二反射镜的反射改变光路后经一聚焦透镜后在空气中产生激光等离子体通道；
②将安装有所述的三维绝缘调整座的导轨沿所述的激光等离子体通道方向设置，调整所述的三维绝缘调整座和所述的金属探针，使所述的金属探针的针尖与所述的激光等离子体通道相接触；③开启示波器，所述的示波器记录并显示了金属探针所探测到的反映所述的激光等离子体通道的电信号曲线；④改变所述的金属探针的针尖在所述的激光等离子体通道中的位置，多次重复第③步，将获得所述激光等离子体通道(a～b)上不同位置处的电信号曲线；⑤分析所述的激光等离子体通道(a～b)的电信号曲线，则可以获得激光等离子体通道(a～b)中任一点(c)的激光等离子体在一定电子密度水平上的电子弛豫时间，即等离子体通道在(c)处的寿命。
与传统测量技术相比，本发明空气中激光等离子体通道寿命的测量装置的优点包括1)测量装置简洁。只需要一根金属探针、三维绝缘调整架以及一台高采样频率示波器。传统光学测量技术中，需要使用泵浦-探测的复杂光路。
2)数据采集的便捷。这里的数据是通过采集和分析从示波器中得到的电信号。传统光学测量技术中需要使用光谱仪来记录探测光信号。
3)数据分析的直观。从示波器中得到的信号直接的反映了电子密度的演化信息。从波形中可以直接得到有关寿命长度的结果。
4)测量范围更大。从示波器中能够得到电子密度从电子被激发时的1017cm-3量级到1014cm-3量级整个范围内的信号演化图。而传统光学测量技术得到的是1017cm-3到1016cm-3量级，这个较窄范围内的信号变化图。
图1为本发明空气中激光等离子体通道寿命的测量装置示意2为利用本发明测量装置测量得到的示波器信号曲线3为测量结果与理论模拟对比图具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的测量装置如图1所示。由图可见，本发明空气中激光等离子体通道寿命的测量装置的结构是于一根直径≤0.5mm金属丝，即金属探针7由一个位于导轨9上的三维绝缘调整座8夹持，该金属探针7的末端与带宽≥500MHz的示波器5的探头的一端相连，该示波器5的探头的另一端接地。
所述的三维绝缘调整座8置于一个导轨9上，并可在该导轨9上移动。
利用上述的测量装置对空气中激光等离子体通道寿命的测量方法，包括下列步骤①激光器产生的激光光束1经过第一反射镜2和第二反射镜3的反射改变光路后经一聚焦透镜4后在空气中产生激光等离子体通道(a～b)；②将安装有所述的三维绝缘调整座8的导轨9沿所述的激光等离子体通道a～b方向设置，调整所述的三维绝缘调整座8和所述的金属探针7，使所述的金属探针7的针尖与所述的激光等离子体通道a～b相接触，接触点位置称为c处；③开启示波器5，该示波器5记录并显示金属探针7所探测到的反映所述的激光等离子体通道a～b的电信号曲线；④改变所述的金属探针7的针尖在所述的激光等离子体通道a～b中的位置，多次重复第③步，将获得所述激光等离子体通道a～b上不同位置处的电信号曲线；
⑤分析所述的激光等离子体通道a～b的电信号曲线，则可以获得激光等离子体通道中任一点c的激光等离子体在一定电子密度水平上的电子弛豫时间，即等离子体通道在c处的寿命。
为得到等离子体通道，这里使用掺钛兰宝石(Tisapphire)激光器输出激光脉冲1，经过第一全反射镜2与3后，经由聚焦透镜4，在空气中形成等离子体通道，该通道位于点a，b之间。测量装置部分由金属探针7、三维绝缘调整架8、导轨9和示波器5组成。光垃圾盒6吸收杂散光。我们从示波器中得到的电信号曲线就反映了通道中电子密度的演化。
这里，金属探针需要与通道刚好接触，又不至于阻断等离子体通道的传输。示波器的输入阻抗最好选择50欧姆，以实现匹配。这样，从示波器中得到的电信号的演化曲线就可以反映出等离子体通道中电子密度的演化情况了。
本发明装置实施例的参数如下掺钛兰宝石(Tisapphire)激光器输出激光脉冲1，聚焦透镜4的焦距f＝50cm，在a与b之间形成等离子体通道，得到的等离子体通道长度约为4cm。金属探针7在c处与等离子体通道接触。
利用导轨9改变金属探针7的位置c，可以测量不同位置处的等离子体通道的寿命情况。这里，c与a的距离约为1cm。利用高频采样的示波器(Tektronix TDS3052 500MHz)来采集得到的电信号。示波器5中得到的信号如图2所示。我们提取出其中的数据得到图3中的实线a，从图中可以清楚看到电信号的演化趋势，这个趋势就反映了电子密度的变化趋势。
我们对这个过程进行了理论模拟与验证。考虑到在等离子体通道产生后，其弛豫过程的主要机制包括了电子离子复合过程；正离子和负离子的复合过程、空气分子的碰撞电离过程、电子被空气中氧气吸附的过程、氧气的去吸附过程等等。而碰撞引起的去吸附效应非常小，这里忽略不计。因此，有下列速率方程组，∂ne∂t=αne-ηne-βepnenp---(1)]]>∂np∂t=αne-βepnenp-βnpnnnp---(2)]]>∂nn∂t=ηne-βnpnnnp---(3)]]>碰撞电离系数α＝2.3×104s-1，吸附率η＝2.78×107s-1，βep和βnp分别为电子和正离子、负离子和正离子之间的复合系数。βep＝βnp＝3.76×10-13m3/s。所得到的模拟曲线如图2中虚线b所示。
对比实线a和虚线b可以看到，我们得到的电信号曲线反映了等离子体通道中电子密度在1014cm-3量级上的寿命情况，以及在此期间电子数密度的演化情况。我们发现，得到的实验曲线与理论趋势符合的很好。这说明了本装置不仅使用简便，而且测量结果准确合理。这里给出的是聚焦后传输的通道寿命的实验与理论模拟对比情况。本发明装置还可用于其他形式的传输实验中通道寿命和电子密度演化情况的测量。
经实验证明，本发明装置具有简洁、数据采集的便捷、数据分析直观和测量范围更大的特点。
权利要求
1.一种空气中激光等离子体通道寿命的测量装置，其特征在于一根直径≤0.5mm金属探针(7)，由一个位于导轨(9)上的三维绝缘调整座(8)夹持，该金属探针(7)的末端与带宽≥500MHz的示波器(5)的探头的一端相连，该示波器(5)的探头的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的空气中激光等离子体通道寿命的测量装置，所述的三维绝缘调整座(8)置于一个导轨(9)上，可在导轨(9)上移动或固定。
3.利用权利要求1所述的测量装置对空气中激光等离子体通道寿命的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤①激光器产生的激光光束(1)经过第一反射镜(2)和第二反射镜(3)的反射改变光路后经一聚焦透镜(4)后在空气中产生激光等离子体通道(a～b)；②将安装有所述的三维绝缘调整座(8)的导轨(9)沿所述的激光等离子体通道(a～b)方向设置，调整所述的三维绝缘调整座(8)和所述的金属探针(7)，使所述的金属探针(7)的针尖与所述的激光等离子体通道(a～b)相接触，接触点位置称为c处；③开启示波器(5)，所述的示波器(5)记录并显示了金属探针(7)所探测到的反映所述的激光等离子体通道(a～b)的电信号曲线；④改变所述的金属探针(7)的针尖在所述的激光等离子体通道(a～b)中的位置，多次重复第③步，将获得所述激光等离子体通道(a～b)上不同位置处的电信号曲线；⑤分析所述的激光等离子体通道(a～b)的电信号曲线，则可以获得激光等离子体通道(a～b)中任一点(c)的激光等离子体在一定电子密度水平上的电子弛豫时间，即等离子体通道在(c)处的寿命。
全文摘要
一种空气中激光等离子体通道寿命的测量装置及其测量方法，其装置包括一根直径≤0.5mm金属丝即金属探针，由一个位于导轨上的三维绝缘调整座夹持，该金属探针的末端与带宽≥500MHz的示波器的探头的一端相连，该示波器的探头的另一端接地。所述的三维绝缘调整座置于所述的导轨上可沿导轨上移动。本发明该测量装置具有简洁、数据采集的便捷、数据分析的直观、测量范围更大的特点。
文档编号H04B17/00GK1812290SQ200510112238
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者朱佳斌, 季忠刚, 邓蕴沛, 李儒新 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所