基于激光等离子体实验数据重建三维温度场的方法研究

（论文部分内容摘抄）

等离子体是指包含足够多的电荷数目近于相等的正、负带电粒子的物质聚集状态。温度是等离子体的基本参量，等离子体温度的准确测量，特别是等离子体温度空间分布的测量一直是等离子体物理、激光与物质相互作用机理、导 弹与目标的相互作用及温度测量领域的重要研究课题。由于等离子体具有体积小、温度高、温度梯度大、持续时间短而且变化剧烈等特点，使得对等离子体温度的精确测量非常困难。国内外学者在等离子体温度测量方面进行了大量的探索，日本的研究者利用光纤束测量等离子体中个别点处温度值，国内的研究者等应用不同的方法对等离子体的温度进行了测量，得到等离子体中个别点处温度值，但均未能建立等离子体整个温度场的空间分布。

由于激光等离子体具有一定空间尺寸，并且温度场在空间分布极不均匀，因此对激光等离子体温度场空间演化特性的研究具有十分重要的意义。本文采用加载窄带滤光片的高速相机直接拍摄激光等离子体图像，并结合图像处理、重建技术以及相对谱线强度法给出了激光等离子体温度场三维分布。

高速相机是整个测量装置的核心部分，本实验选择的是（广州市元奥仪器有限公司的pco.dicam型号）高速分幅相机。如图所示，该相机有４个独立的CCD拍摄通道，并与计算机通过光缆实现串行数据传输。每个拍摄通道可设置不同的延迟时间和曝光时间，能以最低达到１ns／帧的时间间隔高超速记录4张照片。相机有内部触发和外部触发２种方式，根据实验需求，选择外部电触发方式。1、2通道安装中心波长λ１＝400nm、带宽８nm的窄带滤光片，3、4通道安装中心波长λ２＝500nm、带宽８nm的窄带滤光片。实际上，加载窄带滤光片的高速相机起着光谱仪的作用，使激光等离子体辐射光中波长与窄带滤光片中心波长相同的信号进入高速相机并成像。高速相机得到的照片为*.tif格式的12位灰度图片，最高灰度等级4096，分辨率为1024像素×1280像素，为保证测量得到等离子体灰度照片，既有一定的强度，又不会达到饱和，高速相机的曝光时间设置为30ns。

激光击穿空气产生等离子体以后，随着激光脉冲能量的注入，激光等离子体温度场体积膨胀，温度升高，不同时刻的入射激光脉冲能量不同，对激光等离子体温度场的影响也不同。激光击穿空气产生等离子体以后，随着激光脉冲能量的注入，激光等离子体温度场体积膨胀，温度升高，不同时刻的入射激光脉冲能量不同，对激光等离子体温度场的影响也不同。延迟时间为6.5μs 时，入射激光脉冲能量基本结束，由于入射激光脉冲能量很少，等离子体运动过程与强爆炸过程相类似，即等离子体中温度最高的核心区域，由范围比它更大的温度稍低一些的高温区域所包围，这个次高温区域本身是由轮廓鲜明的激波阵面包围,这也从理论上证实了激光等离子体温度场三维重建的可行性。

激光等离子体温度场中不同位置温度差别很大，不同延迟时间，等离子体内部温度分布差别也很大。入射脉冲激光能量持续时间内，等离子体温度场中迎着激光一侧温度最高，从外向内依次降低，入射激光能量结束后，等离子体外缘温度较内部温度低，内部核心区温度最高。利用本文建立的实验装置和数据处理方法，能够获得激光等离子体三维温度场分布，将其与利用光谱法测量的等离子体温度值对比分析及理论上的解释，证明该方法是合理可行的。

最后，通过对激光等离子体三维温度场分布的研究，可了解等离子体温度场空间演化特性和机理，为等离子体产生机理、演化规律以及等离子体中激波传播规律等研究提供实验数据支持，进一步认识激光推进机理，获得能量沉积过程中的能量转化效率等信息，以及为设计激光发动机热结构、改进高速飞行器热防护、提高材料可靠性等提供依据。

德国Excelitas PCO公司pco.dicam相机，具备高分辨率、高感光度、快速帧重复率、精确捕捉超快速过程的优点，将可实现高效的单光子检测，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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