高速摄影

激光等离子体闪光高速摄影法实验研究

周军;冯伟利;刘勇;徐振华

【摘要】通过对激光等离子体进行诊断,可以获取激光等离子体重要的参数和演变

规律.使用高速CCD对激光等离子体闪光进行拍摄,研究了不同激光能量下激光诱

导空气击穿产生的等离子体的形状、大小、颜色以及激光等离子的发展变化特性.

实验表明:等离子体在空间上呈发光液滴状,且逆着激光束的方向膨胀.随着激光能量

的增大,等离子体在水平方向和竖直方向的尺寸逐渐增大,增大趋势逐步变小.%The

importantparametersandevolutionruleoflarplasmacanbeobtained

nthephotographsofplasma

sparksshotbyindustrialhighspeedCCDunderdifferentlarenergylevels,

theshape,size,colorandvariationcharacteristicsofplasmawerestudied.

Theresultsshowedthatplasmaplumelookedlikealiquid-dropletinspace

e

increaoflarenergy,thesizeofplasmaincreadgreatlyinhorizontal

andverticaldirections,andtheexpandratesloweddown.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2011(032)005

【总页数】5页(P1027-1031)

【关键词】激光等离子闪光;光学诊断;空气击穿;高速摄影

【作者】周军;冯伟利;刘勇;徐振华

【作者单位】北京航天计量测试技术研究所,北京100076;北京航天计量测试技术

研究所,北京100076;北京航天计量测试技术研究所,北京100076;南京理工大学军

工试验中心,江苏南京210094

【正文语种】中文

【中图分类】TN249

引言

在大气中传输的高功率激光束经透镜会聚，当聚焦区域的电场强度足够大，激光功

率密度超过空气击穿阈值时，电子与中性大气分子碰撞从而导致碰撞电离。一般来

说大气分子的电离能要比光子能量高很多，所以要产生电离，大气分子需要同时吸

收多个光子发生多光子电离，所产生的电子通过逆韧致辐射效应吸收激光能量。气

体发生电离后将出现强烈的吸收激光能量过程，气体分子的温度迅速升高，最终将

会在该区域完全电离形成高度电离的空气团，这种现象叫做大气击穿。在等离子体

产生的同时，在透镜的焦点区域内出现明亮的火花并伴有啪啪的响声，激光能量越

大，响声越响，并形成爆轰波从聚焦区域向四周传播。激光击穿气体大气，一般可

分为2个阶段：第一阶段在激光束聚焦处，当激光的功率密度达到106W／cm2

以上时，周围空气中的原子有一定的几率吸收多个光子而电离出初始的电子；第二

阶段空气将发生雪崩电离，形成激光等离子体［1－3］。激光等离子体有许多实

际的应用，如激光点火，表面改性，薄膜沉积和纳米加工等［4－6］。因此，对

激光等离子体的特性和参数，包括大气击穿机制、等离子体膨胀特性以及等离子体

冲击波形成机制进行诊断有着重要的实际意义。等离子体的诊断方式有很多，如高

速摄影法、Thomson散射法、激光干涉法和激光光谱法等［7－9］。其中高速摄

影法可以对激光等离子体的形态演变进行研究，能够诊断等离子体初期的体膨胀速

度和冲击波速度等参数。本文利用高速摄影法研究不同激光能量和不同透镜焦距对

激光等离子体形态演变产生的影响，讨论激光等离子体闪光的颜色变化，并给出合

理的解释。

1实验装置

为检测空气击穿产生的等离子特性，实验中使用波长为1064nm，脉冲宽度为

10ns，最大单脉冲能量为500mJ的Nd∶YAG激光器，半波片和偏振分光棱镜形

成可连续调节激光能量的衰减器，旋转半波片可以对作用激光能量进行连续调节，

同时不改变光的偏振态。分光镜分出的10%能量进入能量计探头，以便用来监视

单个脉冲激光的能量，通过对单个脉冲的监视，可以克服由于激光器能量波动带来

的误差。激光束通过透镜会聚诱导空气击穿形成激光等离子体，同时会伴随耀眼的

白光出现。使用双色消色差透镜对等离子体成像，双胶消色差透镜可以保证等离子

体颜色的不失真。激光器击穿空气诱导的激光等离子体成像于CCD之上。等离子

区域相对于双焦消色差透镜成物像关系，这是为了克服衍射效应带来的误差。

CCD通过1394接口与计算机相连，通过matlab软件编程来调用CCD自带的函

数包，完成拍摄照片的存储，等离子体闪光的高速摄影法实验装置如图1所示。

图1高速摄影法实验装置图Fig.1Experimentalapparatusofplasmaspark

photography

2实验结果及讨论

2.1不同激光能量下的等离子闪光

实验中使用单个脉冲宽度为10ns，聚焦直径约为0.9mm，输出能量范围为

70mJ～500mJ的Nd∶YAG激光器，经焦距为30mm双凸透镜聚焦诱导空气（1

标准大气压）击穿产生等离子体，使用GuppyF－046C型高速CCD对等离子体

闪光进行拍摄，拍摄的等离子照片如图2所示。通过对4幅图的对比分析得出：

激光束经聚焦透镜会聚诱导击穿空气形成等离子体，等离子体通过逆韧致吸收和共

振吸收入射激光的能量，使自身的温度升高、电离度加大，导致等离子体迅速向外

膨胀。在膨胀过程中继续吸收射入激光能量，一部分激光能量用于热辐射和蒸汽的

动力学运动外，另一部分转化为等离子体的内能，所以等离子体会逆着激光束的方

向膨胀。这一过程中等离子体阻碍了激光束的传播，激光等离子体对激光束产生了

屏蔽作用。使用相同焦距的透镜，激光能量越大在其焦点区域激光的功率密度越大，

大气的相对电离程度高，电子吸收的激光能量相对较大，等离子体所具有较大的内

能，膨胀速度快，所以等离子体尺寸相对较大，且等离子体闪光的轴向尺寸半径明

显地大于垂直于激光束方向的尺寸，因为在等离子体形成的初始阶段，轴向膨胀速

度大于垂直方向。

图2能量不同的激光束由右向左传播Fig..2Plasmapicturesunderdifferent

enereylevelswithlarspreadingfromrighttoleft

实验发现随着激光能量的增大，等离子体会逆着激光束的方向膨胀，如图3所示。

激光通过透镜的会聚，固定CCD镜头，在不同能量下使用焦距为60mm透镜击

穿空气，当激光功率密度正好处于空气的击穿阈值附近时，等离子体在激光束的焦

点处激发，如图3（a），随着激光能量的增加，等离子体逆着激光束的方向移动，

激光能量越大移动越明显，由图3（a）～（d）可以看出等离子体逐步移动的过

程，在图3（c）中已经移动到CCD镜头的最右边，当能量增加到激发阈值的4.5

倍时等离子体一半已经移出CCD镜头。通过测量发现激光能量从75mJ增大到

338mJ，等离子中心核的位置移动了3.65mm。

图3不同（75mJ，141mJ，256mJ，338mJ）激光能量，等离子体的膨胀情况

Fig.3Larplasmainducedbyfourdifferentlarenergylevels

2.2等离子体闪光的颜色

从实验中选取焦距为30mm，激光能量为107mJ的等离子体照片，使用matlab

软件编程对其去除噪声、锐化，加大图像的咖玛值，增强图像的对比度。通过图4

可以清楚地看出等离子体的颜色总体上分为3层：最内层呈现白色，面积最大；

中间层为混合色偏蓝；最外一圈显绿色。产生这一现象的主要原因是激光等离子体

的内层温度最高，电子和离子密度比较密集，电子的运动速度较快，电子不易被离

子俘获主要以自由电子到自由电子的韧致辐射为主，产生连续辐射光谱，所以呈现

出白色。中间层温度中等，这个区主要存在电子与原子以及一价离子的碰撞传能激

发和电子与一价离子复合的复合辐射，产生一些线状谱的原子线和连续谱，所以中

间层显现出混合色且偏蓝。最外层温度最低，此区主要以电子和原子的碰撞传能激

发为主，产生比较强的原子线，人眼对黄绿色比较敏感，所以呈现出一圈绿色。

图4处理好的等离子闪光照片Fig.4Procesdpictureofplasmaspark

2.3不同焦距下激光等离子体

对比不同焦距下，激光诱导空气击穿产生等离子体的情况，分别使用焦距为

30mm和250mm产生的等离子体照片，如图5所示。

从图5（a）和5（b）可以看出：经焦距为30mm的透镜产生的等离子体，随着

入射激光能量增大，只是等离子体横向和径向的尺寸相应变大，但始终没有发现在

空气中出现多处击穿的现象；当使用焦距为250mm的长焦距透镜激发时，即便

入射激光能量很小时，也能观察到一连串的等离子体产生，随着激光能量的增大，

激发的等离子体串变长且尺寸变大。可以得出短焦距透镜诱导激发等离子体，随着

入射激光能量增大，空气击穿产生的等离子体的尺寸随之变大，但没多处击穿的现

象。而使用长焦距的透镜时，入射激光能量只要大于空气击穿阈值，就会产生等离

子体串现象。主要是因为不同焦距的透镜，焦距越长聚焦激光光斑焦点越大，在焦

点前后较大范围均可能达到空气击穿阈值，同时空气中存在的灰尘颗粒也会使击穿

阈值降低，从而导致在空气中容易发生多处击穿，所以会有很长的等离子体串现象

产生。

图5不同焦距下等离子体闪光图Fig.5Picturesofplasmasparkbydifferent

focuslengths

3结论

高速摄影法具有实验装置简单、操作灵活，研究激光等离子体的发展变化更具有直

观性，这要优于其他实验方法。通过实验得出：等离子体在空间上呈液滴状，沿着

激光束方向上具有明显的不对称性，等离子体靠近激光器一端的尺寸明显大于另一

端，而垂直于激光束方向上分布具有对称性。随着激光能量的增大等离子体在水平

方向和竖直方向的尺寸也逐渐增大，且增大趋势在慢慢地变小，在水平方向等离子

体的尺寸变化明显，而在竖直方向的变化相对平滑。等离子体吸收激光能量逆着激

光束的方向发展，在整体上等离子体颜色可分为三层，最内层温度最高显白色且面

积最大，中间层温度中等呈混合色偏蓝，最外层温度最低显绿色。使用长焦距透镜

容易在空气中形成多处击穿现象。实验得出的结论都可以用激光等离子体的产生机

理进行解释。这些结论对以后激光应用以及激与物质相互作用的更深入研究具有重

要的指导意义。

【相关文献】

［1］陆建，倪晓武，贺安之.激光与材料相互作用物理学［M］.北京：北京出版社，

Jing，NIXiao－wu，HEAn－eractionoflarphysicsandmaterials

［M］.Beijing：BeijingPress，1996.（inChine）

［2］朱士尧.等离子体物理基础［M］.北京：科学出版社，－eofthe

PlasmaPhysics［M］.Beijing：ChinaSciencePress，1983.（inChine）

［3］倪晓武，王文中，陆建，等.强激光致使空气击穿过程的数值模拟［J］.兵工学报，

1998，19（2）：134－－wu，WANGWen－zhong，LUJian，

simulationoftheprocessoflarinducedplasmainair［J］.JournalofChinaOrdnance，

1998，19（2）：134－138.（inChinewithanEnglishabstract）

［4］－inducedsparkforsimultaneousignitionandfuel－to－airratio

measurements［J］.OpticsandLarsinEngineering，2006，44：520－534.

［5］FERGUSONJD，ARIKANG，DALEDS，ementsofsurfacediffusivity

andcoarningduringpuldlardeposition［J］.PhysicalReviewLetters，2009，103

（25）：256103－256104.

［6］NICHOLSWT，SASAKIT，blationofaplatinumtargetin

onrateandnanoparticlesizedistributions［J］.JournalofAppliedPhysics，

2006，100（11）：114912－114916.

［7］nceofspotsizeonpropagationdynamicsoflar－producedtin

plasma［J］.JournalofAppliedPhysics，2007，102（12）：123306－123306.

［8］KIMKY，ALEXEEVI，ementofultrafastdynamicsinthe

interactionofintenlarpulswithgas，clusters，andplasmawaveguides

［J］.PhysicsofPlasmas，2005，12：56712－56711.

［9］NAKATAY，KAIBARAH，OKADAT，ensionallar－induced

fluorescenceimagingofapuld－lardepositionprocessofYBa2Cu3O7－x

［J］.JournalofAppliedPhysics，1996，80（4）：2458－2466.