易調(diào)節(jié)的氣體密度測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光等離子體相互作用領(lǐng)域中氣體密度的測(cè)量，具體是一種易調(diào)節(jié)的 氣體密度測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著激光等離子體相互作用特別是基于尾波場(chǎng)加速產(chǎn)生高能電子束領(lǐng)域的快速 發(fā)展，氣體介質(zhì)作為相互作用的關(guān)鍵區(qū)域，影響電子束的能量與電量，需要一定的手段探測(cè) 相互作用區(qū)域內(nèi)氣體密度的分布。
[0003] 傳統(tǒng)的干涉儀如邁克爾遜干涉儀、泰曼干涉儀等，均采用平面鏡作為反射鏡，在調(diào) 節(jié)平面鏡時(shí)，需要保證平面鏡與入射光束的方向保持垂直，平面鏡如果有一個(gè)小角度的轉(zhuǎn) 動(dòng)，就會(huì)同時(shí)引起光束俯仰和左右的變化，導(dǎo)致干涉條紋質(zhì)量變差，甚至得不到干涉條紋。
[0004] 這些方案雖然也可以用于測(cè)量氣體密度分布，但是大大增加了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜 性，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此需要一種易于調(diào)節(jié)，精度較高的干涉系統(tǒng)作為測(cè)量氣體密度分布的裝 置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)傳統(tǒng)的干涉探測(cè)系統(tǒng)存在的缺陷，提供一種易于調(diào)節(jié)、高分 辨率的易調(diào)節(jié)的氣體密度測(cè)量系統(tǒng)，利用直角反射棱鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平面反射鏡，所述直角 反射棱鏡固定于可調(diào)節(jié)的光學(xué)鏡架上，調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架時(shí)，直角反射棱鏡在兩個(gè)維度上轉(zhuǎn)動(dòng)， 但只有一個(gè)維度上對(duì)于光束的方向產(chǎn)生影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于光束的俯仰和左右分開調(diào)節(jié)。 能夠有效的降低干涉系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜性，操作簡(jiǎn)單，并且具有較高的探測(cè)分辨率。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種易調(diào)節(jié)的氣體密度測(cè)量系統(tǒng)，包括:具有入射窗片和出射窗片的真空腔，探測(cè) 光束經(jīng)過(guò)入射窗片進(jìn)入到該真空腔內(nèi)，在該真空腔內(nèi)沿探測(cè)光路方向依次在光學(xué)平臺(tái)上固 定有第一反射鏡、第二反射鏡、第一激光衰減片、起偏格林棱鏡、第三反射鏡和短焦透鏡，探 測(cè)光束經(jīng)出射窗片輸出，在所述的第三反射鏡和短焦透鏡之間設(shè)有噴氣閥，該噴氣閥通過(guò) 氣體管道與真空腔外部氣體瓶相連接，通過(guò)氣體瓶開關(guān)控制是否噴氣;沿所述的出射窗片 的輸出光束方向依次放置有長(zhǎng)焦透鏡、小孔光闌和分光鏡，該分光鏡將探測(cè)光束分為透射 光束和反射光束，透射光束為光束一，反射光束為光束二，所述長(zhǎng)焦透鏡與短焦透鏡之間的 距離為兩透鏡的焦距之和；
[0008] 在所述光束一光路方向設(shè)有第一直角反射棱鏡，該第一直角反射棱鏡的三角形平 面固定于第一可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架的上表面，該第一直角反射棱鏡的斜邊所對(duì)應(yīng)的平面與光束 一的光路方向垂直，所述光束一經(jīng)該第一直角反射棱鏡反射后再經(jīng)所述分光鏡反射后通過(guò) 第二激光衰減片進(jìn)入(XD;
[0009] 在所述光束二光路方向設(shè)有第二直角反射棱鏡，該第二直角反射棱鏡三角形平面 固定于第二可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架的側(cè)面，該第二可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架固定在水平導(dǎo)軌上，第二直角 反射棱鏡的斜邊所對(duì)應(yīng)的平面與光束二的光路方向垂直，所述光束二經(jīng)過(guò)第二直角反射棱 鏡反射后，再經(jīng)所述分光鏡透射后通過(guò)第二激光衰減片進(jìn)入(XD 16，與光束一發(fā)生干涉。 [00?0]探測(cè)光路的中心波長(zhǎng)為800nm，反射鏡對(duì)于800nm波長(zhǎng)的光具有尚反射率;所述格 林棱鏡作為光束的起偏器，該棱鏡為透射式偏振裝置，具有極高的消光比，以保證探測(cè)光束 線偏振的特性;所述格林棱鏡對(duì)光強(qiáng)具有閾值要求，為了避免光強(qiáng)過(guò)高損壞棱鏡，需要在格 林棱鏡前放置合適的衰減片。
[0011]所述擴(kuò)束系統(tǒng)由一個(gè)短焦透鏡和一個(gè)長(zhǎng)焦透鏡組成，其作用是將探測(cè)光路進(jìn)行放 大(放大的倍數(shù)取決于兩個(gè)透鏡的焦距之比），以提高探測(cè)的分辨率。
[0012]由光闌、分光鏡、直角反射棱鏡和CCD組成干涉模塊，所述分光鏡具有50 %、50 %的 透射率和反射率，且與光束成45°角放置;所述直角反射棱鏡斜邊對(duì)應(yīng)的平面與探測(cè)光束垂 直，且固定于可調(diào)節(jié)的光學(xué)鏡架上，所述第一直角反射棱鏡三角形平面固定于第一可調(diào)節(jié) 光學(xué)鏡架的上表面，當(dāng)調(diào)節(jié)鏡架的旋鈕時(shí)，該直角反射棱鏡在兩個(gè)維度上轉(zhuǎn)動(dòng)，水平方向上 的轉(zhuǎn)動(dòng)不影響光束的方向，豎直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)光束的俯仰，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于干涉條紋方 向的調(diào)節(jié);所述第二直角反射棱鏡三角形的平面固定在第二可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架的側(cè)面，當(dāng)調(diào) 節(jié)鏡架的旋鈕時(shí)，該直角反射棱鏡在兩個(gè)維度上轉(zhuǎn)動(dòng)，水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)光束的左右， 而豎直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)不影響光束的方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于干涉條紋間距的調(diào)節(jié);所述第二可 調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架固定于水平移動(dòng)的水平導(dǎo)軌上，用于調(diào)節(jié)兩相干光束的延時(shí)；探測(cè)光束經(jīng)過(guò) 分光鏡分光后，分別經(jīng)過(guò)所述兩個(gè)直角反射棱鏡反射，再次經(jīng)過(guò)分光鏡后，入射至CCD處，為 了避免光強(qiáng)過(guò)大損壞CCD，在CCD鏡頭前加入合適的衰減片。
[0013] 另一方面，本發(fā)明還公開了一種利用上述易調(diào)節(jié)的氣體密度測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)行氣體 密度的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0014] (1)關(guān)閉噴氣閥，將光闌的小孔調(diào)至最小，同時(shí)調(diào)節(jié)第一可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架和第二可 調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架使CCD上光束一與光束二的光斑重合；
[0015] (2)將光闌開至最大，同時(shí)調(diào)節(jié)第一可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架和水平導(dǎo)軌，使CCD上干涉條 紋豎直；
[0016] (3)調(diào)節(jié)第二可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架和水平導(dǎo)軌，使(XD上的干涉條紋在屏幕上的間距為 4-7mm；
[0017] (4)打開噴氣閥，觀測(cè)干涉條紋彎曲的區(qū)域與彎曲程度，計(jì)算氣體密度分布。
[0018] 本發(fā)明的基本原理是利用分別通過(guò)待測(cè)氣體和不通過(guò)待測(cè)氣體的兩束相干光產(chǎn) 生的干涉條紋，通過(guò)測(cè)量干涉條紋的彎曲程度和范圍得出等離子體通道的尺度與通道內(nèi)氣 體密度的分布。采用兩個(gè)相互垂直的直角反射棱鏡，每個(gè)直角反射棱鏡對(duì)光束只實(shí)現(xiàn)一個(gè) 方向上的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于干涉條紋的方向和條紋間距的調(diào)節(jié)。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著特點(diǎn)：
[0020] 1、利用相互垂直的直角反射棱鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反射鏡，將對(duì)光束俯仰和左右的調(diào)節(jié) 分開，降低干涉系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜性，具有操作簡(jiǎn)單，方便高效等優(yōu)點(diǎn)。
[0021] 2、加入水平導(dǎo)軌用于調(diào)節(jié)延時(shí)，配合棱鏡對(duì)于光束的俯仰和左右的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 于干涉條紋方向與條紋間距的調(diào)節(jié)。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明易調(diào)節(jié)氣體密度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
[0023] 圖2為第一直角反射棱鏡13、第一可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架的結(jié)構(gòu)示意圖
[0024] 圖3為第二直角反射棱鏡14、第二可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架和水平導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)示意圖
[0025] 圖4為實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)量的干涉條紋
[0026] 圖5為根據(jù)圖4計(jì)算出的氣體密度分布圖
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
[0028] 請(qǐng)先參閱圖1，圖1為本發(fā)明易調(diào)節(jié)的氣體密度測(cè)量系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意 圖。由圖可見，本實(shí)施例易調(diào)節(jié)的氣體密度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括:探測(cè)光束經(jīng)過(guò)入射窗片1 進(jìn)入到真空腔，在探測(cè)光路前進(jìn)的方向上，依次固定有對(duì)800nm的光具有極高反射率的第一 反射鏡2和第二反射鏡3，探測(cè)光束經(jīng)過(guò)第一反射鏡2和第二反射鏡3反射后，依次通過(guò)第一 激光衰減片4、起偏格林棱鏡5和第三反射鏡6后到達(dá)噴氣閥7處，噴氣閥7通過(guò)氣體管道與外 界氣體瓶連接，通過(guò)氣體瓶的開關(guān)控制是否噴氣;在噴氣區(qū)域，通過(guò)噴氣的那部分探測(cè)光光 程會(huì)增加，而未通過(guò)噴氣的那部分探測(cè)光光程未發(fā)生變化;該探測(cè)光接下來(lái)通過(guò)短焦透鏡 8、出射窗片9和長(zhǎng)焦透鏡10,所述短焦透鏡8與長(zhǎng)焦透鏡10組成擴(kuò)束系統(tǒng)，短焦透鏡8和長(zhǎng)焦 透鏡10之間通過(guò)出射窗片9過(guò)渡，本實(shí)施例中，短焦透鏡8與長(zhǎng)焦透鏡10的焦距依次為20cm 和50cm，放大倍數(shù)為2.5倍;經(jīng)過(guò)所述擴(kuò)束系統(tǒng)的探測(cè)光束進(jìn)入干涉模塊，經(jīng)過(guò)分光鏡12分 光形成兩光束，透射光束為光束一，反射光束為光束二;光束一通過(guò)第一直角反射棱鏡13反 射和分光鏡12反射后，通過(guò)第二激光衰減片15進(jìn)入到CCD 16中；光束二通過(guò)第二直角反射 棱鏡14反射和分光鏡12透射后，通過(guò)第二激光衰減片15進(jìn)入到CCD 16中，與光束一發(fā)生干 涉。
[0029] 本發(fā)明的實(shí)施例中，是研究激光等離子體尾波場(chǎng)加速電子，由于所用激光光束的 功率特別高，為了避免光束將空氣擊穿發(fā)生成絲等各種非線性效應(yīng)，需要將其置于真空腔 內(nèi)；所述擴(kuò)束系統(tǒng)中的短焦透鏡需要放置在距離噴嘴較近的位置，因此也位于真空腔內(nèi)；而 由于長(zhǎng)焦透鏡焦距較長(zhǎng)，將所述擴(kuò)束系統(tǒng)中的長(zhǎng)焦透鏡放置于真空腔外，兩個(gè)透鏡之間通 過(guò)出射窗片過(guò)渡;為了便于調(diào)節(jié)，將所述干涉模塊也置于真空腔外部。
[0030]圖2為第一直角反射棱鏡13和第一可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架17的結(jié)構(gòu)示意圖，所述第一直 角反射棱鏡13三角形所對(duì)應(yīng)的平面固定于第一可調(diào)節(jié)光學(xué)鏡架17的上表面，所述第一可調(diào) 節(jié)光學(xué)鏡架17上有三個(gè)旋