纳秒激光诱导空气等离子体光学诊断与机理分析

论文摘要

本文主要从实验和理论上研究了纳秒激光诱导空气击穿机制,激光支持爆轰波（LSDW）形成机制与传播特性,激光等离子体的电子密度和冲击波波后气体分子的时空演化规律,以及空气等离子体的碰撞。首先,建立了具有数据自动采集功能的马赫-曾德尔数码化干涉测量系统,获得了高质量的等离子体干涉条纹图：提出了针对激光等离子体干涉图的处理方法,得到了高分辨的激光诱导空气等离子体折射率三维空间分布图。提出了空气击穿时间的测量方法,并得到了空气击穿时间和作用激光功率密度间的定量关系。实验发现,激光的透射率与其入射能量近似成反比。当入射激光能量较小时,激光的击穿时间与击穿功率密度之积为定值；随着入射能量的增加,并超过某阈值时,击穿时间将达到饱和。进而利用雪崩电离的机制对实验现象给予了解释,并提出了等效脉冲的概念。提出了一种基于阴影法和点扫描法的LSDW传播速度测量方法。通过观察等离子体二维屏蔽特征和对等离子体二维屏蔽分布图的处理,获得了不同作用激光能量导致的LSDW传播速度随时间的变化关系。提出了利用激光诱导电子气冲击波的Taylor模型来解释LSDW的形成机制,理论与实验结果吻合得较好。通过实验研究了纳秒激光诱导空气等离子体的时空演化过程,观察到等离子体通道的形成,发现激光等离子体动力学膨胀是形成等离子体通道的主要机制,且等离子体膨胀速度迅速衰减是等离子体通道塌陷的主要原因。通过对激光诱导冲击波波后气体分子密度三维分布随时间变化过程的研究,发现了冲击波后的分子密度先增长后衰减的现象,以及分子密度分布从非均匀向均匀分布的演化过程,并认为等离子体膨胀初期内部的各向异性是其主要因素。实验研究了激光诱导空气等离子体间的碰撞特性,观察到了碰撞区域冲击波后分子密度和等离子体电子密度的增强现象,提出冲击波碰撞形成的分子迟滞层是导致冲击波后分子密度的增强的主要原因,而电子密度的增强是由于自由电子受到了被迟滞层阻碍的正离子吸引并聚集的结果。本文的研究结果对激光诱导空气击穿的理论研究、激光的应用及相关检测技术的发展具有一定的促进作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 纳秒激光脉冲诱导气体击穿及研究进展
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 激光点火应用
• 1.1.2 激光等离子体冲击清洗技术
• 1.1.3 激光等离子体的其他一些应用
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 激光诱导空气击穿机制的研究现状
• 1.2.2 LSDW的形成机制及研究进展
• 1.2.3 激光诱导冲击波研究进展
• 1.3 本文的主要工作
• 2 激光等离子体干涉诊断原理及方法
• 2.1 激光等离子体干涉诊断原理
• 2.1.1 激光等离子体电子密度的确定
• 2.1.2 冲击波后气体分子密度的确定
• 2.2 马赫-曾德尔干涉测量系统
• 2.2.1 马赫-曾德尔干涉测量实验装置
• 2.2.2 激光脉冲能量的实时测量与控制
• 2.2.3 干涉图物理尺寸的测量
• 2.3 本章小结
• 3 激光等离子体折射率三维分布的重建
• 3.1 单幅干涉图处理方法
• 3.1.1 FFT变换法原理
• 3.1.2 相位解缠
• 3.1.3 激光等离子体干涉图的处理
• 3.2 ABEL逆变换
• 3.2.1 Abel逆变换原理
• 3.2.2 Abel逆变换数值算法
• 3.2.3 Abel逆变换误差分析
• 3.3 激光等离子体折射率分布的恢复
• 3.3.1 等离子体冲击波边缘的提取
• 3.3.2 激光等离子体折射率分布
• 3.4 本章小结
• 4 激光诱导空气击穿机制实验和理论分析
• 4.1 激光诱导空气击穿的一般过程
• 4.2 激光诱导空气击穿初始阶段的实验研究
• 4.2.1 空气击穿阈值的测量
• 4.2.2 激光诱导空气击穿时间的测量
• 4.3 实验结果的理论分析
• 4.3.1 空气击穿阈值与激光脉宽的关系
• 4.3.2 理论解释
• 4.4 本章小结
• 5 激光支持的爆轰波的传播特性研究
• 5.1 LSDW的形成和传播机制
• 5.2 实验装置
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 探测光的透射波形
• 5.3.2 等离子体屏蔽二维分布
• 5.3.3 LSDW传播速度的确定
• 5.3.4 LSDW形成机制讨论
• 5.4 本章小结
• 6 激光诱导等离子体膨胀初期特性研究
• 6.1 等离子体干涉条纹时间序列图
• 6.2 等离子体电子密度时空演化
• 6.3 冲击波后气体分子密度时空演化
• 6.3.1 激光诱导冲击波形成机制
• 6.3.2 冲击波基本理论
• 6.3.3 冲击波后气体分子密度时空演化
• 6.4 本章小结
• 7 激光诱导大气等离子体碰撞实验研究
• 7.1 实验获得碰撞等离子体的方法
• 7.2 等离子体的碰撞
• 7.2.1 碰撞等离子体折射率分布
• 7.2.2 撞等离子体的电子密度分布
• 7.2.3 碰撞等离子体冲击波后分子密度分布
• 7.3 本章小结
• 8 总结
• 8.1 总结
• 8.2 研究展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 参考文献