马赫曾德尔干涉仪瞬态干涉条纹采集技术及其在激光等离子体测试中(4)

ａ：—竺一≈旦：２．４ｘ１０２１二－一Ｐ—ｕ，／ｋＴ

哆＋％（２．１）％％

式中，绣和‰分别为带电粒子数密度和中性粒子数密度，丁为温度，ｋ为波尔兹曼常量（１．３８×１０彩Ｊ／Ｋ），Ｕ为对应气体的电离能。由上式可知，在常温下，气体的电离度非常低，不具备等离子体的性质。虽然地球上存在的等离子体很少，仅占整个宇宙的１％，但随着科学的发展，当今人类能够接触到越来越多的等离子体，如荧光灯和霓虹灯里炫目的电弧、等离子体显示屏中彩色的放电、聚变装置中燃烧的等离子体等。２．１．１激光等离子体的产生

等离子体的点燃就是等离子体的形成过程。当一束高功率激光照射到金属靶表面时，靶表面吸收入射激光的能量，使得靶面温度升高，当靶表面温度超过靶材气化温度时，靶表面发生气化现象，并有物质喷溅现象。在这之后靶表面和喷射物质继续吸收激光能量，导致喷溅物质进一步电离，最后形成激光等离子体。与此同时，固体表面附近的背景气体也因受激光照射发生等离子体击穿。处于高温状态的等离子体内由于粒子间的碰撞，各种粒子将进一步的分解与复合，样品的各种颗粒将进一步分解为分子、原子，原子离解为离子，电子与离子复合等。当然具体过程依赖于激光参数（脉宽、频率及能量等）、靶材特性和实验环境等。～般情况，不同数量级的激光功率密度作用在靶表面８

硕士论文马赫．曾德尔干涉仪瞬态干涉条纹采集技术及其在激光等离子体测试中的应用发生的物理现象如表２．１所示：

表２．１不同数量级的激光功率密度作用在靶表面发生的物理现象

１０’一１’／／

加热’一１０４—１０６Ｗ／ｃｍ２ｌＯ‘Ｌ１０８Ⅵ，／ｃｍ？气化１０６－一１００ｌｏＷ／ｃｍ２ｍｚ熔融产生等离子体

高功率激光击穿气体、液体和固体靶材表面，导致靶材介质表面形成激光等离子体的主要机制分为如下三步【删：

１．光电离阶段：原子中的电子受到激光照射时，由于光电效应或多光子效应吸收足够的光子能量而发生电离。

２．热电离阶段：高温下热运动速度很大的原子相互碰撞，使其电子处于激发态，其中一部分电子的能量超过电离势而使原子发生电离。

３．碰撞电离阶段：气体中的带电粒子在电场作用下加速并与中性原子碰撞，发生能量交换，使原子中的电子获得足够能量而发生电离。

２．１．２激光等离子体的特性

等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子（原子、分子、微粒等）组成的，宏观上准中性，且具有集合效应的混合气体。所谓准中性是指在等离子体中的正负离子数目基本相等，系统在宏观上呈现中性，但在小尺度上呈现电磁性。而集体效应则突出的反映了等离子体与与中性气体的区别。中性气体中粒子的相互作用体现在粒子间频繁的碰撞，两个粒子只有在碰撞的瞬间才有相互作用，除此之外没有相互作用。而等离子体中带电粒子之间的相互作用是长程库仑力的作用，体系内多个粒子均同时且持续的参与作用，任何带电粒子的运动状态均受到其他带电粒子（包括近处与远处）的影响。另外带电粒子的运动可以形成局部的电荷集中，从而产生电场，带电粒子的运动也可以产生电流，从而产生磁场，这些电磁场又会影响其他粒子的运动。因此等离子体呈现出集体效应。等离子体按照温度的高低可以分为：高温等离子体和低温等离子体；按照粒子密度的大小可分为：稠密等离子体，粒子数密度达到１０”～１０博每立方厘米时，称为稠密等离子体，此时粒子间的相互碰撞起很大作用。（２）稀薄等离子体（或低压等离子体），当粒子数密度小于１０１２每立方厘米时，称为稀薄等离子体，此时粒子间的相互碰撞可忽略不计。

总体来说等离子体的一般特性有…】：

（１）准电中性：由于高度电离，破坏电中性的任何扰动都会导致该区域强电场的出现，从而使电中性都以恢复，所以等离子体在整体上显电中性。９

２激光等离子体测试方法概述硕士论文

（２）强导电性：由于存在很多自由电子和各种离子，等离子体的电导率很高。

（３）与磁场发生相互作用：磁场可以控制等离子体的位置、运动以及形状。

（４）集体相互作用：大量带电粒子在自己产生的电场中运动的行为，也就是等离子体内的各种波动过程。

２．２激光等离子体诊断方法概述

众所周知，实验和测试方法的研究可以推动机理研究的深入。早在第一台激光器问世不久，人们开始通过多种实验方法，研究激光与靶材的相互作用的机理，观测等离子体的形成和发展变化情况。１９６３年，Ｈａｒｒｉｓ首先用高速摄影机记录下等离子体冲击波的扩张图【４２】，这是最早的对激光等离子体的探测方法。随着科技水平的不断发展与提高，探测方法也在不断的更新。总的来说，对等离子体的诊断方法大致可分为接触式和非接触式探测方法。

２．２．１接触式探测方法

接触式探测方法主要是用机械测量的方法，一般包括探针法【４３】Ｍ、声学诊断法【４５】等，这种方法在操作上相对简单，主要是依靠压电传感器将冲击波波前压强转变为电压信号，但由于探头的存在会扰动激光等离子体及其冲击波原场的分布，故而会影响探测的精度和完整性；除此之外，传感器的频率响应也很难满足探测要求。综上所述这种探测方法并不适合诊断激光等离子体的初始阶段。

１．探针法

这里所说的探针法主要指物理探针法，一般包括磁探针法【４６Ｊ、电流探针法、静电探针法、磁带记录法等。Ｋｏｒｏｂｌｄｎ等第一次用磁探针测量了ｒｕｂｙ激光焦点处空气击穿等离子体中的自生磁场。磁探针是用Ｎ匝线圈绕制而成的直径大约ｌｍｍ的圆柱体，在等离子体中或附近安置一个或者多个微型磁探针，当自生磁场产生后，通过线圈的磁通量发生变化从而产生感应电动势，可以用示波器记下感生信号，从而得到磁场的时间、空间分布信息。磁探针法的最大困难是不能直接测量焦斑处的磁场，只能安放在距焦点几毫米的地方。电流探针法则是在靶中埋入－ｄ，段细导线，在激光与靶材相互作用的瞬间，会在导线中产生一脉冲电流，用示波器对此监控，就可以得到靶表面电流的分布，改变所埋导线的位置，经过多次打靶，就可以得到电流的空间二维分布。电流探针法的缺点是只能测量靶面上电流产生的那部分磁场，而不能测量等离子体中由于电荷运动而产生的那部分磁场。

现在主要介绍一下用静电探针法诊断等离子体的原理和方法。图２．１是Ｌｏｎｇｍｕｉｒ探针实验装置图。静电探针法最初被用在一般气体放电的测量中，后来被引用到等离子体的诊断实验研究中，到现在为止该种方法仍然是诊断等离子体的一种非常方便有效的ｌＯ

硕士论文马赫．曾德尔干涉仪瞬态干涉条纹采集技术及其在激光等离子体测试中的应用方法。静电探针就是一根细金属丝，除了它的顶端，其余部分都被玻璃、陶瓷等绝缘套覆盖。实验时，将探针前端插入等离子体中，就在探针表面附近产生一个等离子体“鞘”。因为在平衡等离子体中，电子的运动速度远大于离子的速度，所以在初始阶段进入探针表面的电子数远大于离子数，这就会在探针表面形成一个负电荷层，而在探针表面附近空间形成一个薄正离子“鞘”。“鞘”外等离子体空间就会比探针的电势高。利用外电路，逐步改变探针的电势，就能得到探针的伏安特性曲线。

图２．１Ｌｏｎｇｍｕｉｒ探针实验装置

再根据伏安特性曲线和公式获取等离子体的其他参数。该方法的缺点是探针会扰动激光等离子体，无法精确的再现激光 …… 此处隐藏：2453字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……