等离子体动量测量装置和等离子体产生系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种等离子体动量测量装置和等离子体产生系统，其中，等离子体动量测量装置包括：相干光生成单元，生成相干光；连接至烧蚀靶的目标物，设置在相干光生成单元的光路上，烧蚀靶被等离子体推进时，烧蚀靶连带目标物在相干光中运动；信号采集单元，接收相干光，并将相干光转化为电信号后将电信号输出至处理器；处理器，连接至信号采集单元，根据电信号生成过程图像，基于过程图像确定目标物在相干光中的移动位置以及经过时间，根据移动位置和经过时间计算出烧蚀靶的运动速度，从而获取所述等离子体的动量。通过本实用新型装置，可以精确地获得等离子体撞击烧蚀靶时获取的动量，降低了测量误差以及对等离子体的速度要求。
【专利说明】等离子体动量测量装置和等离子体产生系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及等离子体测量领域，特别是涉及一种等离子体的动量测量装置和 一种具有该等离子体的动量测量装置的等离子体产生系统。
【背景技术】
[0002] 强激光与靶相互作用时产生超音速喷射的等离子体，在等离子体喷射的反方向产 生一个作用力，该作用力可以作为一种新的推进源，因此获取等离子体产生的动量是激光 等离子体推进中首先要解决的问题。
[0003] 根据动量守恒，被激光烧蚀的物体（烧蚀靶）的动量便是等离子体的动量。而对 于靶动量来说，关键是得到靶的速度。目前在实验上一般采用单摆法测量靶的速度，该方 法是将激光烧蚀的靶悬挂成一个单摆，通过测量靶在烧蚀后摆动的角度或振幅来获得靶的 速度，从而获得烧蚀靶的动量。但是该方法属于间接测量，引入误差较大。还有一种测量方 法，在测量装置中只有一束探测光，烧蚀靶有一定的宽度，通过示波器检测烧蚀靶通过波峰 的时间来确定烧蚀靶的速度，实验表明该测量装置只适用于靶本身宽度与探测光光斑尺寸 相当的情况，在靶宽度与探测光光斑尺寸相差较大时，实验测量得到的误差高达80%，而且 该装置无法测量速度低于毫米级的等离子体的速度。
[0004] 因此需要一种新的等离子体动量测量装置，可精确测量烧蚀靶的动量，从而测量 等尚子体的动量。 实用新型内容
[0005] 本实用新型正是基于上述问题，提出了一种新的等离子体动量测量装置，可精确 测量烧蚀靶的动量，从而测量等离子体的动量。
[0006] 有鉴于此，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种等离子体动量测 量装置，包括：相干光生成单元，生成相干光；连接至烧蚀靶的目标物，设置在相干光生成 单元的光路上，其中，在烧蚀靶被等离子体推进时，烧蚀靶连带所述目标物被晃动，使目标 物在所述相干光中运动；信号采集单元，接收所述相干光，并将相干光转化为电信号，以及 将电信号输出至处理器；处理器，连接至所述信号采集单元，根据所述电信号生成过程图 像，基于所述过程图像确定所述目标物在所述相干光中的移动位置和经过时间，以及根据 所述移动位置和所述经过时间计算出所述烧蚀靶的运动速度，以获取所述烧蚀靶的动量， 并将所述烧蚀靶的动量作为所述等离子体的动量。
[0007] 在本技术方案中，目标物连接在烧蚀靶上，在烧蚀靶被强激光照射时，烧蚀靶带动 目标物运动，由于目标物正好设置在相干光的通路上，故目标物在相干光中运动，由于相干 光具有特殊的条纹，因此根据采集到的图像可以准确确定目标物在相干光中移动的距离， 并且也消除了光束光斑尺寸对测量精度的影响。本实用新型能够直接测量出烧蚀靶的运动 速度，因此解决了通过间接测量烧蚀靶的摆动角度或振幅来得到烧蚀靶的运动速度而产生 的误差的问题，同时本实用新型采用目标物通过相干光的手段来测量烧蚀靶的运动速度， 解决了根据具有一定宽度的烧蚀靶通过探测光的时间来确定烧蚀靶的运动速度所带来的 误差以及烧蚀靶和探测光光斑尺寸受限的问题，故根据本实用新型等离子体动量测量装置 可以精确地获取烧蚀靶的运动速度，减小等离子体的速度测量误差，从而提高等离子体的 动量测量精度；同时因为相干光的条纹间距较小，通过图像处理技术能够精确获取目标物 的移动位置的变化量，因此即使是对于速度低、位移小的激光等离子体，也能够精确获得该 激光等离子体的动量。
[0008] 在上述技术方案中，优选地，还包括：聚焦镜，设置在烧蚀靶与所述信号采集单元 之间，汇聚经过目标物的相干光。
[0009] 光束变成相干光之后，通过该聚焦镜可提高相干光的强度，从而提高获取到的图 像中的相干光的清晰度。另外，相干光的宽度可能比较大，使过程图像最终可能无法完整地 显示在所述处理器上，通过该聚焦镜的汇聚作用，使过程图像尽可能完整地显示在处理器 上，这样有助于通过过程图像精确地测得所述移动位置。
[0010] 在上述技术方案中，优选地，还包括：狭缝，设置在聚焦镜与所述信号采集单元之 间，用于使经过聚焦镜汇聚的部分光束进入所述信号采集单元中。
[0011] 在本技术方案中，狭缝，设置在聚焦镜与信号采集单元之间，目的是为了使经过聚 焦镜汇聚的部分光束进入信号采集单元中，以减小处理器的处理负担。
[0012] 在上述技术方案中，优选地，所述目标物是丝状物。
[0013] 在本技术方案中，所述丝状物与烧蚀靶连接在一起，因此等离子体撞击所述丝状 物时，烧蚀靶获取的速度与丝状物获取的速度相等。相干光经过所述目标物时，目标物会产 生一定的位置偏移，位置偏移等于目标物在所述相干光中的移动位置，目标物尺寸越小，移 动位置就越大，所测得的所述丝状物获取的速度越精确，因此目标物为丝状物就达到了此 目的。
[0014] 在上述技术方案中，优选地，通过双线吊挂所述烧蚀靶，形成双线单摆装置。
[0015] 在本技术方案中，所述双线单摆装置，可以消除激光撞击烧蚀靶时所述烧蚀靶的 横向摆动，使得处理器上显示的过程图像更加准确，从而间接地提高所述等离子的速度测 量精度。
[0016] 在上述技术方案中，优选地，相干光生成单元包括光源和干涉仪，光源产生的光束 经过干涉仪产生所述相干光。
[0017] 在本技术方案中，光源种类很多，常用光源为氦氖光光源；干涉仪种类也很多，常 用干涉仪为迈克尔逊干涉仪，光源产生的光束经过干涉仪后就产生了相干光。
[0018] 在上述技术方案中，优选地，光源为单色光光源。单色光经过干涉仪后，产生的相 干光是单色相干光，单色相干光经过所述目标物后产生所述过程图像，过程图像显示在处 理器上是明暗相间的相干条纹，通过明暗相间的相干条纹能够准确地确定所述移动位置； 若光源为多种频率混合光，则相干条纹就是彩色条纹无法准确确定所述移动位置。
[0019] 在上述技术方案中，优选地，干涉仪为迈克尔逊干涉仪。
[0020] 在本技术方案中，所述干涉仪分双光束干涉仪和多光束干涉仪两大类，所述迈克 尔逊干涉仪是一种常用的所述双光束干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学 家迈克尔逊与莫雷合作，为研究"以太"漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分 振幅法产生双光束以实现干涉。
[0021] 在上述技术方案中，优选地，所述信号采集单元是图像传感器（CXD)。
[0022] 图像传感器（CCD)是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。所述图 像传感器上植入的微小光敏物质称作像素。一块所述图像传感器上包含的像素数越多，其 提供的画面分辨率也就越高。所述图像传感器的作用就像胶片一样，但它是把光信号转化 为电荷信号。所述图像传感器上有很多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转 变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。
[0023] 根据本实用新型的另一方面，还提供了一种等离子体产生系统，包括激光源，将激 光照射在烧蚀靶上形成等离子体；如上述任一技术方案中所述的等离子体动量测量装置， 用于测量所述等离子体的动量。
[0024] 在本技术方案中，激光源照射在烧蚀靶上形成等离子体，根据动量守恒定律，等离 子体的动量与烧蚀靶的动量相同，因此可通过测量烧蚀靶的动量来间接得到等离子体的动 量，而该等离子体动量测量装置的目的就是用于测量烧蚀靶的动量，由于该等离子体动量 测量装置能够准确的测量出烧蚀靶的动量，因此本实用新型的等离子体产生系统能够准确 地获得所产生的等离子体的动量。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1示出了根据本实用新型的一个实施例的等离子体动量测量装置的框图；
[0026] 图2示出了根据本实用新型的另一实施例的等离子体动量测量装置的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具 体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申 请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0028] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用 新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并 不受下面公开的具体实施例的限制。
[0029] 图1示出了根据本实用新型的一个实施例的等离子体动量测量装置的框图。
[0030] 如图1所示，根据本实用新型的实施例的等离子体动量测量装置100,包括：相干 光生成单元102,用于生成相干光；连接至烧蚀靶的目标物104,设置在相干光生成单元的 光路上，其中，在烧蚀靶被等离子体推进时，烧蚀靶连带所述目标物104被晃动，使目标物 104在所述相干光中运动；信号采集单元110,用于接收相干光，并将相干光转化为电信号， 以及将电信号输出至处理器；所述处理器112,连接至信号采集单元110,用于根据电信号 生成过程图像，基于过程图像确定目标物104在相干光中的移动位置以及经过时间，根据 所述移动位置和经过时间计算出烧蚀靶的运动速度，以获取烧蚀靶的动量，并将烧蚀靶的 动量作为等离子体的动量。
[0031] 在本技术方案中，目标物104连接在烧蚀靶上，在烧蚀靶被强激光照射时，烧蚀靶 带动目标物104运动，由于目标物104正好设置在相干光的通路上，故目标物104在相干光 中运动，由于相干光具有特殊的条纹，因此根据采集到的图像可以准确确定目标物104在 相干光中移动的距离，并且也消除了光束光斑尺寸对测量精度的影响。本实用新型能够直 接测量出烧蚀靶的运动速度，因此解决了通过间接测量烧蚀靶的摆动角度或振幅来得到烧 蚀靶的运动速度而产生的误差的问题，同时本实用新型采用目标物通过相干光的手段来测 量烧蚀靶的运动速度，解决了根据具有一定宽度的烧蚀靶通过探测光的时间来确定烧蚀靶 的运动速度所带来的误差以及烧蚀靶和探测光光斑尺寸受限的问题，故根据本实用新型等 离子体动量测量装置可以精确地获取烧蚀靶的运动速度，减小等离子体的速度测量误差， 从而提高等离子体的动量测量精度；同时因为相干光的条纹间距较小，通过图像处理技术 能够精确获取目标物104的移动位置的变化量，因此即使是对于速度低、位移小的激光等 离子体，也能够精确获得该激光等离子体的动量。
[0032] 在上述技术方案中，优选地，等离子体动量测量装置100还可以包括：聚焦镜106， 设置在烧蚀靶与信号采集单元110之间，用于汇聚经过目标物104的相干光。
[0033] 通过该聚焦镜106可提高相干光的强度，从而提高获取到的图像中的相干光的清 晰度。在本技术方案中，另外，相干光的宽度可能比较大，使过程图像最终可能无法完整地 显示在所述处理器112上，通过该聚焦镜106的汇聚作用，使过程图像尽可能完整地显示在 所述处理器112上，这样有助于通过过程图像精确地测得移动位置。
[0034] 在上述技术方案中，优选地，等离子体动量测量装置100还可以包括：狭缝108,设 置在聚焦镜与所述信号采集单元110之间，用于使经过聚焦镜汇聚的部分光束进入信号采 集单元110中。
[0035] 在本技术方案中，狭缝108,设置在聚焦镜106与信号采集单元110之间，目的是为 了使经过聚焦镜106汇聚的部分光束进入信号采集单元110中，以减小处理器的处理负担。
[0036] 在上述技术方案中，优选地，目标物104为丝状物。
[0037] 在本技术方案中，丝状物与烧蚀靶连接在一起，因此等离子体撞击丝状物时，烧蚀 靶获取的速度与丝状物获取的速度相等。相干光经过所述目标物104时，目标物104会产 生一定的位置偏移，位置偏移等于所述目标物104在相干光中的移动位置，目标物104尺寸 越小，移动位置越大，所测得的丝状物获取的速度越精确，因此目标物104为丝状物就达到 了此目的。为了获得更好的效果，目标物的宽度较小，但具有一定的硬度，例如很细的铁丝。
[0038] 在上述技术方案中，优选地，通过双线吊挂所述烧蚀靶，形成双线单摆装置。
[0039] 在本技术方案中，所述双线单摆装置，可以消除激光撞击烧蚀靶时所述烧蚀靶的 横向摆动，使得处理器112上显示的过程图像更加准确，从而间接地提高等离子的速度测 量精度。
[0040] 在上述技术方案中，优选地，相干光生成单元102包括光源1022和干涉仪1024,光 源1022产生的光束经过干涉仪1024产生相干光。
[0041] 在本技术方案中，光源1022种类很多，常用光源1022为氦氖光光源；干涉仪1024 种类也很多，常用干涉仪1024为迈克尔逊干涉仪，光源1022产生的光束经过干涉仪1024 后就产生了相干光。
[0042] 在上述技术方案中，优选地，所述光源1022为单色光光源。
[0043] 在本技术方案中，单色光光源，经过干涉仪1024后，产生的相干光也是单色相干 光，单色相干光经过目标物104后产生过程图像，过程图像显示在处理器112上是明暗相间 的相干条纹，通过明暗相间的相干条纹能够准确地确定移动位置；若光源1022为多种频率 混合光，则相干条纹就是彩色条纹无法准确确定所述移动位置。
[0044] 在上述技术方案中，优选地，所述干涉仪1024为迈克尔逊干涉仪。
[0045] 在本技术方案中，干涉仪1024分双光束干涉仪和多光束干涉仪两大类，迈克尔逊 干涉仪是一种常用的所述双光束干涉仪，迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔 逊与莫雷合作，为研究"以太"漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产 生双光束以实现干涉。
[0046] 在上述技术方案中，优选地，信号采集单110元为图像传感器（CXD)。
[0047] 图像传感器（CXD)是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。C⑶上植 入的微小光敏物质称作像素。一块图像传感器上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率 也就越高。图像传感器的作用就像胶片一样，但它是把光信号转化为电荷信号。图像传感 器上有很多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放 大及模数转换电路转换成数字图像信号。
[0048] 根据本实用新型的另一方面，还提供了一种等离子体产生系统，包括激光源，将激 光照射在烧蚀靶上形成等离子体；如上述任一技术方案中所述的等离子体动量测量装置， 用于测量所述等离子体的动量。
[0049] 在本技术方案中，激光源照射在烧蚀靶上形成等离子体，根据动量守恒定律，等离 子体的动量与烧蚀靶的动量相同，因此可通过测量烧蚀靶的动量来间接得到等离子体的动 量，而该等离子体动量测量装置的目的就是用于测量烧蚀靶的动量，由于该等离子体动量 测量装置能够准确的测量出烧蚀靶的动量，因此本实用新型的等离子体产生系统能够准确 地获得所产生的等离子体的动量。
[0050] 在另一种实施方式中，如图2所示，图2示出了根据本实用新型的另一实施例的等 离子体动量测量装置的示意图。氦氖光光源200产生激光束经迈克尔逊干涉仪202后产生 相干光作为探测光束204,探测光204经过细丝208,然后先后通过聚焦镜210和狭缝212， 最后经(XD214接收处理后传入计算机216形成图像。其中，烧蚀靶206通过双线悬挂，烧 蚀靶206下面连接细丝208,构成一个双线单摆装置，双线单摆可以很好的解决烧蚀靶206 左右摆动的问题。
[0051] 该等离子体动量测量装置具体测量过程为：当细丝208摆过探测光束204时，计算 机216会呈现出相应的过程图像。通过过程图像显示的细丝208通过相干条纹间的位置和 相邻两幅数据图像间的时间宽度可以获取细丝208的速度，细丝208的速度与烧蚀靶206 的速度相等。根据动量守恒原理，激光等离子体的动量便是烧蚀靶206的速度与其本身质 量的乘积。
[0052] 对于相干条纹间的间距为0. 35mm的相干条纹，假设拍摄到的过程图像包括4帧图 像，根据在第一帧图像显示的细丝在相干条纹中的第一位置与在第四帧图像中显示的细丝 在相干条纹中的第二位置之间的条纹数量可计算出细丝运动的距离，并结合第一帧图像与 第四帧图像之间的时间间隔可计算出细丝的运动速度。相干条纹的间距越小，计算出的运 动速度越准确。
[0053] 本实用新型的等离子体动量测量装置根据细丝飞过干涉条纹的时间及距离获得 靶的飞行速度，然后通过靶的质量获得激光等离子体的动量。与现有测量等离子体产生的 靶速度装置相比，本实用新型的测量装置操作简单，数据图像完备准确，测量精度高，适用 于速度低、位移小的激光等离子体动量测量。
[0054] 以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本 领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种等离子体动量测量装置，其特征在于，包括： 相干光生成单元，生成相干光； 连接至烧蚀靶的目标物，设置在所述相干光生成单元的光路上，其中，在所述烧蚀靶 被等离子体推进时，所述烧蚀靶连带所述目标物被晃动，使所述目标物在所述相干光中运 动； 信号采集单元，接收所述相干光，并将所述相干光转化为电信号，以及将所述电信号输 出至处理器； 所述处理器，连接至所述信号采集单元，根据所述电信号生成过程图像，基于所述过程 图像确定所述目标物在所述相干光中的移动位置和经过时间，以及根据所述移动位置和所 述经过时间计算出所述烧蚀靶的运动速度，以获取所述烧蚀靶的动量，并将所述烧蚀靶的 动量作为所述等离子体的动量。
2. 根据权利要求1所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，还包括：聚焦镜，设置 在所述烧蚀靶与所述信号采集单元之间，汇聚经过所述目标物的相干光。
3. 根据权利要求2所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，还包括：狭缝，设置在 所述聚焦镜与所述信号采集单元之间，使经过所述聚焦镜汇聚的部分光束通过并进入所述 信号采集单元中。
4. 根据权利要求1所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，所述目标物是丝状物。
5. 根据权利要求1所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，吊挂所述烧蚀靶的固 定装置是双线吊挂装置。
6. 根据权利要求1所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，所述相干光生成单元 包括光源和干涉仪，所述光源产生的光束经过所述干涉仪，所述干涉仪产生所述相干光。
7. 根据权利要求6所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，所述光源是单色光光 源。
8. 根据权利要求6所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，所述干涉仪为迈克尔 逊干涉仪。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的等离子体动量测量装置，其特征在于，所述信号 采集单元是图像传感器。
10. -种等离子体产生系统，其特征在于，包括： 激光源，将激光照射在烧蚀靶上形成等离子体；以及 如权利要求1至9中任一项所述的等离子体动量测量装置，用于测量所述等离子体的 动量。
【文档编号】H05H1/24GK203870121SQ201420229472
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】郑志远, 王梦晖, 蒋垒 申请人:中国地质大学（北京）