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部分，本实验选择的是德国 Excelitas PCO 公司pco.dicam C4 四通道分幅相机。 如图所示，该相机有４个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，能以比较低达到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，比较高灰度等级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过程相类似，即等离子体中温度比较高的区域，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比较高，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，内部区温度比较高。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。

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 公司的pco.dicam C4四分幅像增强相机，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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