高功率激光等离子体冲击波探测中衍射效应的消除

高功率激光等离子体冲击波探测中衍射效应的消除 Vol . 29 No . 6 南 京 理 工 大 学 学 报第 29 卷 第 6 期 Journal of Nanjing University of Science and Technology Dec . 2005 2005 年 12 月 高功率激光等离子体冲击波探测中衍射效应的消除 1 1 1 11 ,2李,刘骏,沈中华,陆 建,倪晓武 明 ()1. 南京理工大学 理学院 ,江苏 南京 210094 ;21 淮海工学院 教务处 ,江苏 连云港 222005 摘 要 :研究光学非接触 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 探测高功率激光产生的等离子体和冲击波实验中的衍射现象 ,运用衍 射理论和透镜成像原理 ,提出让待测区与接收器件成物像共轭关系 ,以克服衍射效应带来的对等离 子体和冲击波测量误差的方法 ,并从理论上导出 : 当等离子体区域与相机位置相对于成像透镜满足 物像关系时 ,衍射效应的影响被显著消除 ,通过激光作用于铝靶的实验结果 ,验证这一方法的可行 性 。 关键词 :衍射效应 ;激光等离子体 ;光学测量 () 中图分类号 : TN 241文献标识码 :A 文章编号 :1005 - 9830 200506 - 0684 - 03 Elimination of Diffraction Effect in Exploring Plasma and Shock Wave Produced by High2po wer Laser 1 ,2 1 1 1 1 L I Ming,L IU J un,SHEN Zhong2hua,LU J ian,NI Xiao2wu (1 . School of Sciences ,NUST ,Nanjing 210094 ,China ;2 . Teaching Affair Office , )Huaihai Institute of Technology , lianyungang 222005 ,China Abstract : The diffraction effects in exploring plasma and shock wave produced by high2power laser by optical non2contacting methods were studied. The diffraction theory and imaging theory of lens were used. A new method was presented :When the receiving element makes a conjugate body2image relationship with the measuring region , the error caused by diffraction effects in measuring the plasma and shock wave can be overcome obviously. The conclusion is deduced in theory. The feasibility is verified by combining the experimental results. Key words : diffraction effect ;laser plasma ;optical measurement 在高功率激光与材料相互作用产生等离子体过但由于作用激光一般都是经过透镜聚焦作用到靶材 程的实验研究中 , 一般采用光学探测方法 。其优点 ,当其焦斑区域的激光功率密度达到或 上或介质中 是非接触测量 ,探测光对等离子体区域无影响 ,且灵 超过介质击穿阈 值 时 , 在 该 区 域 将 产 生 等 离 子 体 。 敏度和测量精度高 ,能够进行等离子体区域折射率 激光等离子体由于其高温高压高密度特性 ,会迅速 1 - 4 分布和等离子体时空发展的定量和实时测量。向外膨胀 ,产生强冲击波 。这种冲击波波前厚度很 收稿日期 :2005 - 05 - 27 修回日期 :2005 - 10 - 18 () 基金项目 :国家自然科学基金 60208004,教育部青年教师教学科研奖励计划基金 。 () 作者简介 :李明 1958 - ,江苏连云港人 ,博士生 ,副教授 ,主要研究方向 : 激光与物质相互作用等 , E2mail : lygliming @ya2 hoo . com. cn 。 ,在接收装置上接收的就是冲击波的光学阴影图 。臂 小 ,波前特性明显 。由于激光等离子体和冲击波的 这种空间特性 ,使得在光学方法探测中会产生较强 图 2 为 Nd : YAG 调 Q 激光作用于空气时产生的 的衍射效应 ,对探测图像产生干扰和混淆 。 等离 子 体 光 学 图 , 在 图 2 中 , 作 用 激 光 能 量 为 120 mJ ,脉冲宽度为 15 ns ,探测激光延迟时间为 157 ns 。 本文运用光学衍射基本理论和透镜成像原理 , 从图 2 可 以 明 显 发 现 存 在 激 光 等 离 子 体 冲 击 提出使待测区与接收器件满足物像共轭关系 ,从而 消除由于菲涅尔衍射效应带来的误差的解决方法 。 波 ,并且在等离子 体 区 域 内 干 涉 条 纹 有 明 显 漂 移 。 但是图 2 中同时存在不正确干扰信息 。经 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,确理论上导出 :当等离子体区域与相机位置相对于成 像透镜满足物像关系时 ,衍射效应带来的影响可以 定这是等离子体尤其是冲击波 产 生 的 光 学 衍 射 效 被明显消除 ,并通过实验结果验证了这一方法的可 应 。这一效应已严重影响了激光等离子体和冲击波 行性 。 有用信息的提取和处理 。 1 激光等离子体和冲击波的光学探测 应用光学探测来诊断激光等离子体的方法有 : 高速摄影照相法 ,阴影法 ,纹影法 ,干涉法 ,全息干涉 法 ,双波长法 ,条纹照相机法等 。这里介绍两种常用 方法 : 干涉法和阴影法 ,并在这两种方法的基础上 进行分析 。图 2 Nd : YAG 调 Q 激光作用于空气时 111 光学干涉法产生的等离子体光学图 激光等离子 光学干涉法是一种通过光学干涉条纹来定量确 2 体和冲击波衍射效应的 消除 定等离子体区域折射率分布的测量方法 。陆建等在 根据透镜对光波的相位变换作用 ,可以把一个 一台调 Q - Nd : YAG 激光振荡放大器上完成了对激 5 ,6 光产生等离子体的发展情况测试。振荡输出光 发散球面波变换成会聚球面波 。由透镜的点扩散函 经过一倍频晶体后 ,用一个对 0 . 53 um 波长激光全 数性质可知 ,在透镜的焦点处 ,能得到一个理想的点 反射 ,且对 1 . 06 um 波长激光全透射的分光镜把波 像 。本文从透镜的一般变换特性来讨论如何消除衍 长为 0 . 53 um 的激光分离出来 ,经过准直系统 ,再经 射效应 。过光路延迟时间装置作为光学干涉法探测的光源 。 图 3 为物像透镜变换示意图 ,在图 3 中 ,正透镜 探测光经过马赫 - 曾德尔干涉仪 。从放大级输出的 焦距为 f , 物面位于透镜前 d处 , 观察面位于透镜后 1 波长为 1 . 06 um 激光经聚焦透镜会聚后作用在靶上 d处 , d、d是任意的 。用振幅为 1 的单色平面波照2 1 2 产生等离子体 。等离子体区域位于马赫 - 曾德尔干 ( ) 射物 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面时 , 物面上的场分布为 Ux, y, 观察面 0 0 0涉仪的一臂中 。接收系统则有成像透镜 、滤色镜和 ( ) 上的场分布为 U x , y, 并假设光场在 d和 d距离 1 2 等待式相机组成 ,如图 1 所示 。 上的传播满足菲涅耳近似条件 , 则透镜前表面上的 ( ) 场 Ux , y 可表示为 1 ? ()exp i k d 1 ( )( )Ux, yUx , y = 0 0 01 λκ id 1 - ? 2 2 ) ( ) - x+ y - y x 00( )exp [ i k ]d xd y1 0 02 d 1 考虑到透镜的相位变换因子 , 则透镜后表面上的场 ( ) 分布 U x , y 为1 k 2 1 激光等离子体探测光学干涉装置 图 ( ( ) ( ) i x +U x , y = P x , y exp [ - 1 2 f 1. 2 光学阴影法2) ( )( )y ] Ux , y 2 1 光学阴影法在探测强折射率变化区域具有直观 于是观察平面上的场为和易于调节等优点 ,因此在激光冲击波的显示和测 ? ()exp i k d2 量过程中 ,光学阴影法有着举足轻重的作用 。( ( )) = Ux , y x , y U 1 λidκ 2 - ? 在图 1 的测试光路中 ,只要挡住干涉仪的参考 k 2 2 3 实验结果 ( ) ( ) [ x - x + y - y } d x d y exp{ i ()3 2 d 2() 利用图 1所示的实验装置进行实验测量 , 激光 ( ) ( ) () 将 U x , y 和 Ux , y 代入式 3得 1 1 ? 脉冲宽度为 15 ns ,作用激光能量可调节 , 在作用光路 ) ( exp [ i k d+ d] 1 2 ( )( ) U x , y= - Ux, y 0 0 02 中用偏振片调节作用光能量 , 激光器采用 45?电光 Q κκλdd 1 2- ? 开关 ,其输出光束为平面偏振光。 探测光延迟时间通 2 2 x+ y ) ( ( P x , y exp - i k ) × 过光路延迟装置调节 。实验过程中 , 先测量调 Q 激光 2 f 2 2在铝靶上点燃蒸气等离子体的阈值 , 通过调节偏振 ( ) ) ( x - x+ y - y 00exp [ i k ] 2 d 片 ,从小到大增加作用激光能量 , 直到靶表面上有等 122 )( ) ( x - y - y +x 离子体产生 ,由此可获得电光调 Q - Nd ?YA G激光在 exp [ i k ] 2 d 2铝靶上产生的等离子体随延迟时间变化关系的系列 ()4 d xd yd x d y 0 0 光学阴影照片 ; 实验中挡住波长为1106 um 的作用激 则 光 ,用波长为 0. 53 um 的探测激光束调节马赫 - 曾德 ) ( exp [ i k d+ d] 1 2 k 2 尔干涉仪 ,可获得相应的干涉条纹 。 ( ( ) exp [ i x+ U x , y= - 2 2 d λdd 21 2图 4 、图 5 分别为 Nd ?YA G调 Q 激光作用于铝靶 ? 2 2 x+ y 0 02产生等离子体和冲击波的光学阴影图和马赫 - 曾 ) ( ) ( ) y] ×Ux, yexp i k0 0 0κ 2 d 1- ? 德尔干涉图 , 二者都是在等离子体区域与相机位置 ()( ) 5 I x, yd xd y 0 00 0相对于成像透镜成物像关系时所拍摄的照片 , 与图 式中 2 比较 , 可以明显看到图 4 、5 中的衍射效应被消除 。 ? 另外 , 探测光束经过准直后再延迟也是为了消除光 k 11 ( ) [ ( ) ( + - exp { i , y I x, y= P x0 0束本身效应带来的影响 。 κ 2 d d 12- ? x0 x1 2 2) ( ) ( ) x + y - 2 + x - f dd 1 2 y 0 y ( ) ()2 + y } d x d y6 d d 1 2 如果物 像 平 面 的 共 轭 关 系 满 足 高 斯 公 式 1/ d+ 1 ( ) 1/ d= 1/ f , 则式 6变为2 ? x k 0( ) ( ) ( 2 + I x, y= P x , y exp { i [ -0 0 κ 2 d 1- ? 图 3 物像透镜变换示意图 yx 0 y ) ( ) ()x - 2 + y } d x d y7 ddd 21 2 ( ) 将 M = - d/ d代入式 7, 当透镜的孔径很大时 , 21 ( ) 在无限大的区域内 P x , y 的值均为 1 , 则有? x π 0 x 2 ( ) ( ) I x, y= exp { i -[ + x- 0 0 λκdd 12 - ? 图 4 Nd ?YA G 调 Q 激光作用于铝靶产生 y 0 y ( ) + y } d x d y = 等离子体和冲击波的光学阴影图dd 1 22 2 λ)δ( )δ( d ()x-x/ My-y/ M8 10 0 4 结论 ( ) () 将 I x, y代入式 5可得 0 0 ) ( exp [ i k d+ d] 1 2 ( ) U x , y= 在采用光学非接触方法探测高功率激光产生的 M 等离子体和冲击波过程中 , 运用衍射基本理论和透 π iy x 2 2( ) ( ) ()9 exp [ - x+ y] U, 0 λMf M M 镜成像原理得出结论 :在探测光路中 , 当等离子体区 ( ) 式 9表明在输出平面上得到了放大 M= - d/ d 21域与接收器件满足物像共轭关系时 , 等离子体和冲 倍的像 , 即回到了几何光学的结果 。所以 , 当等离子 击波带来的衍射效应的影响可以被消除 。 体区域与相机位置相对于成像透镜成物像关系时 ,( ) 下转第 719 页 衍射效应带来的误差可以被消除 。 279. 2002 - 05 - 25. 220 ?;反应时间 3 h ,催化剂质量分数为 0 . 1 % ,收 3 Wang C S , Shieh J Y ,Sun Y M. Synthesis and properties of 率 :96 . 2 % ,符合上述结论 。 ( ) phosphorus containing PET and PEN ?J . J Appl Polym Sci , 1998 , 70 :1 959 - 1 964. 3 结束语 Liu C H , Wang C S. Novel phosphorus2containing epoxy 4 resins Part ?. Synthesis and propertiesJ . Polymer , 2001 , 本文采用新工艺合成新型反应型阻燃剂中间体 41 :1 869 - 1 878. DOPO 。首先合成 DOPO - HPPA 混合物 ,然后将混合 Liu C H ,Wang C S. Synthesis and property of phosphorous - 5 物转化为精制 DOPO 。考 察 了 催 化 剂 种 类 、催 化 剂 containing bismaleimide by a novel method J . J Polym Sci A : Polym Chem , 2000 ,38 :2 260 - 2 268. 用量 、物料配比 、反应温度 、反应时间等对 DOPO 收 Wang C S , Shieh J Y. Phosphorus - containing epoxy resin 6 率的影响 ;用正交实验进行了条件优化 ,在优化条件 for an electronic applicationJ . J Appl Polym Sci ,1999 ,73 : () ) ( 下 ,即 n OPP? n PCl= 1 ?1. 7 , 反 应 温 度 2203353 - 361. ?, 反应时间 3 h , 催化剂 质 量 分 数 为 011 % ,DOPOSaito T ,Shi K. Cyclic organophosphorus compounds and pro2 7 收率达 96 . 2 % ,收率和产物纯度均较文献有明显提cess for making same P . US 3 702 878. 1972 - 11 - 24. 8 ,9高 ,该法工艺简单 , 有一 定 实 用 价 值 , 产 物 可 直 () Kleiner H J . Method for preparing 62chloro26H2dibenz c , 8 接用于合成新型反应型有机膦阻燃剂 。 e 1 ,2 oxaphosphorin 262one P . US 5391789. 1995 - 02 - 21. 参考文献 : Kleiner H J ,Main F. Method for preparing 6H2dibenzo c ,e 9 1 蒋建中 , 蔡春 . 新型阻燃剂中间体 DOPO 的合成与应 1 ,2 oxaphosphorin 262one P . US 5481017. 1996 - 01 - () 用概述 J . 江苏化工 , 2004 , 32 1: 12 - 15.02. 2 Ulrich W , Franck M. Benzoxazine fireproofing agents in 蔡春 ,吕春绪 . 载钯 ZSM - 5 分子筛催化脱氢合成邻 10 theroplastic or thermosetting composition P . WO 0 257 () 苯基苯酚 J . 应用化学 , 2001 ,18 2: 167 - 168. () down in liquidsJ . Appl Phys Lett 1972 , 21 1:27 - 29. ()上接第 686 页 陆 建 , 倪 晓 武 , 贺 安 之 . 激 光 与 材 料 相 互 作 用 物 理 学2 M . 北京 :机械工业出版社 ,1996. Chen X , Xu R Q , Shen Z H , et al . Propagation of shock 3 wave and oscillation of cavitation bubble by Nd : YAG laser ablation of a metal in water J . Applied Optics , 2004 , 43 () 16:3 251 - 3 257. Ni X W , Lu J , Shen Z H. Interferometric diagnosis of laser2 4 图 5 Nd ?YA G 调 Q 激光作用于铝靶产生 produced2plasma on an aluminum target J . Microwave and 等离子体和冲击波的马赫 - 曾德尔干涉图 () Optical Technology letters ,1997 ,145:271 - 274. 实验结果也表明这一方法能够克服等离子体和 冲击波带来的衍射效应 , 获得清晰的等离子体和冲 5 陆建 ,倪晓武 ,阎大鹏 . 调 Q 激光引诱固体表面击穿高 击波图像 。这种消除衍射效应的方法在各类探测等 () 速摄影研究 J . 激光技术 ,1989 ,13 3:17 - 21. 离子体和冲击波的光学装置中是必要的 。 Lu J , Ni X W , He A Z. An interferometric investigation of 6 ignition of a laser supported detonation wave and its propaga2 参考文献 : () tionJ . Optics Communication ,1995 ,120 3/ 4:144 - 148. 1 Lauterborn W. High2speed photography of laser2induced break2