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(5)

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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

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这表明对于小强度的变化有泣４，

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等离子体。

（２）纹影法ｃ２∽上式表明探测带的信号正比于折射率的空间二阶导数。所以说阴影法只能定性的说明激光等离子体的分布形态，很难进行定量的处理，故而我们也不采用该方法诊断激光

纹影法又称为Ｓｃｈｌｉｅｒｅｎ方法，主要用于研究透明介质中的光学不均匀性。与阴影法的区别在于增加了一个“刀口”。图２．３是阴影法的原理图。

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图２．３纹影法的原理图

纹影法原理是一束平行的探测光自左侧入射，透过激光等离子体的透射光在刀口处成像，然后在传递到探测器上。密度大的区域偏折的厉害，光线将被刀口挡住，在屏幕上出现暗纹；密度小的区域偏折的程度小，光线未被刀口挡住，屏幕上将出现亮纹。密度的不均匀使得屏幕上出现了亮度不均匀的纹影，测量纹影的尺寸就可以求出光线的偏折。尽管纹影法比阴影法灵敏度高，结构也比较简单，但使用该方法仍然不能精确的获得激光等离子体的三维分布，不能准确再现激光等离子体瞬态变化发展过程，所以本文也不采用该方法诊断激光等离子体。

（３）高速摄影法

图２．４是高速摄影法诊断激光等离子体示意图，图中ＷＰ是半波片，Ｒ为全反镜，ＢＳ为反光镜，Ｌ为会聚透镜，Ｆ是滤波片，ＰＴＧ是可编程定时器。该方法原理简单，实验易于操作。它的时间分辨率取决于高速摄影仪的曝光时间和幅间隔，所以当摄影频率提高时，对应的仪器造价非常昂贵。从经济成本来考虑我们不主张采用该方法诊断激光等离子体。

２激光等离子体测试方法概述硕士论文

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图２．４高速摄影法诊断激光等离子体示意图

（４）光谱诊断法

等离子体中有大量的带电粒子，它们处于复杂的运动状态之中，因而能辐射出大量的多种形式的电磁波，辐射出来的电磁波有的是线状光谱，有的是连续光谱。其频谱范围相当宽，从微波开始，有红外光、可见光、紫外光直到Ｘ射线。其辐射过程与等离子体内部状态有着密切的联系，因而通过对等离子体辐射光谱的测量分析，可以获得等离子体的密度、温度以及离子组成成份等重要参数。光谱诊断法中光谱仪是光谱分析的主要仪器。

图中２．５是光谱法诊断等离子体的一般实验装置Ｍ。使用激光器照射样品室中的样品（固体、液体、气体物质）产生的等离子体经透镜会聚传输到光谱仪中，用光探测器接收，探测器与计算机相连，由计算机绘制出光谱图。通过拍摄的光谱图与己知元素的特征谱线相比较，就可以知道等离子体中所含离子的成份，再根据底片的感光程度以及底片的曝光特性就可以推算出光谱强度。等离子体中的电子密度与光谱强度有一定的物理关系，通过对光谱强度的测量可以计算出等离子体中的电子密度分布情况。假设等离子体处于局域热动平衡下，其能级分布遵循波尔兹曼分布关系，因此同一元素的两条谱线的强度比可以用下面表达式（２．６）式来表示：

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式中蜀、９２为统计权重，巨、易为两个能级处的能量，４、４为跃迁几率，Ｋ是波尔兹曼常数，￡为电子温度，＾与九分别是谱线ｌ与谱线２的波长，所以对上式（２．６）１４

碗±论文马赫．曾德尔十涉位孵态干涉条纹采集技术及其在激光等离子体测试中的应用取自然对数可得：

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由式（２７）可知，当测得常压等离子体谱线强度后。可以使用最小二乘法来拟合直线，求出该直线的斜率就是电子温度曲线Ｚ。该方法只适合低温等离子体的诊断，在高温条件下，产生连续谱的原因较多．难以确认，常会引起较大的测量误差。所以本文也不采用该诊断方法。

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图２．５光法诊断等离子谱体试验装置

２干涉探测法

（１）全息干涉测量法

全息干涉测量法ｆ５”的基本原理是将激光束通过一块散射板，激光被分成两部分：参考光与物体光，物体光通过被测流场后与参考光在全息底片上发生干涉．形成了包含两束光波位置差、方向差和光程差等全部信息的图案。全息照相的主要优点是能以全息形式把流动显示图案冻结在于板上，以后可以在任何时间，从不同视角观察及再现所拍的图案。虽然全息干涉法有很多优点，但数据处理时非常困难，且全息干板对曝光要求太高。所以我们也不采用该方法诊断激光等离子体。

（２）用马赫曾一德尔干涉仪诊断

干涉仪是诊断等离子体的一种基本光学仪器，又激光具有高度单色性和相干性，对等离子体干扰小，空间分辨率和时间分布率较高，特别适合高温高密度的激光等离子体的诊断。该诊断方法主要利用探测光束通过流场时引起的折射率的变化和等离于体的吸收情况来反映出该等离子体场的性质；可以从干涉条纹的偏移计算出等离子体中电子的密度、电离度、温度和压力等参数及其分布。这种方法通过一次曝光就可以获得整个场的分布情况，能够再现激光等离子体的瞬态发展变化过程。故而本文将采用该方法来诊断激光等离子体。但是该方法的主要缺点是实验调节比较复杂，所以本文后一部分的工作中讨论了干涉仪的调节问题。

图２．６给出了马赫－曾德尔干涉仪光路示意图。它是由两块平面分光镜Ｐｔ、Ｐ２和两块平面反射镜ＭＩ、Ｍ２组成。图中Ｓ为点光源，Ｌ为准直镜。待测相位物体可放在元件Ｐ，、