李 超，常 浩，洪延姬，曹栋栋

（航天工程大学 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

0 引言

激光产生的等离子体具有的持续时间极短、时空变化极快、尺寸小、强自发光等特点，等离子体羽流特性研究是一项极具挑战性的任务。国内外采用很多诊断技术研究激光产生的等离子体羽流特性，例如：阴影成像法、纹影成像法、发光光谱、干涉测量、法拉第杯、朗缪尔探针等[1]。

Emmony和Irving[2]研究激光作用碳靶时，采用高速记录了等离子体羽流演化过程，首次拍摄到等离子体发光图像，发现等离子体发光前沿位置与时间满足幂函数关系。Maher和Hall等人[3]拍摄到激光烧蚀铝靶表面的等离子体羽流发光图像，发现羽流初始速度与激光强度满足幂函数关系。Maher和Hall[4]采用马赫—曾德尔干涉系统，首次拍摄到激光辐照铝靶的羽流前沿波阵面呈球形。陆建等人[5]发现激光辐照铝靶的羽流初始阶段呈圆柱形。Harilal等人[6]采用脉宽为8ns的激光辐照铝靶，ICCD曝光时间为2ns，拍摄了不同气压下延迟时间为50ns～1500ns羽流演化过程，发现在低压情况下羽流演化过程的分裂现象。Kawahara等人[7]采用脉宽为8ns的激光器、ICCD相机和光谱仪，研究了激光诱导击穿空气不同激光能量下等离子体羽流演化过程，发现等离子体温度对入射激光能量的弱依赖性。陈朗等人[8]采用高速相机研究激光持续时间内的形成与演化过程，并从理论上分析、计算羽流速度、压力和温度。现有实验多基于脉冲激光作用结束后，研究微秒量级等离子体羽流演化过程，而对于纳秒脉冲激光辐照期间等离子体羽流的形成与演化过程研究较少。

本文设计高精度时间分辨羽流观测系统，记录距离靶面约2mm内的等离子体羽流图像，研究纳秒激光辐照期间以及激光作用后的等离子体羽流形成与演化过程。

1 实验系统设计

实验系统如图1所示，由激光器、ICCD相机、光电探测器、数字脉冲信号发生器、数字示波器、电脑等仪器构成。激光器为Nimma-400型号Nd：YAG固体激光器，波长1064nm，最大能量为450mJ。数字示波器型号为DPO7104C。ICCD相机为Princeton Instruments公司的PI-MAX3，最短曝光时间为3ns，但两次拍摄间隔时间过长，实验需要采用重复实验方法。

图1 实验系统原理图Fig.1 The schematic diagram of experimental system

实验采用激光器的外触发模式，通过数字脉冲信号发生器DG645的两路信号控制激光器的氙灯和Q开关。由于该激光器采用调Q技术，激光器出光时间存在纳秒级偏差，因此DG645控制Q开关的信号同时输入到示波器，并与光电探测器输入到示波器的信号对比，测量激光器出光延迟时间。DG645的一路信号控制ICCD相机的工作时间，同时该信号输入到示波器。相机通过光纤与电脑连接。实验通过WinView软件调节相机工作状态，将相机AUX-OUT接口输出信号延时设为相机的拍摄延迟时间。以激光器出光时间作为零时刻，示波器显示光电探测器捕获到的激光器出光信号与AUX-OUT信号的差值，即为相机拍摄到的等离子体羽流所处时刻。如图2所示，通道1为激光器出光信号，通道2为Q开关打开信号，通道3为触发相机工作信号，通道4为AUX-OUT信号。实验通过DG645设定ICCD相机工作时间，以拍摄到不同时刻的等离子体羽流。

图2 时序示意图Fig.2 Timing diagram

2 实验结果与分析

2.1 时空标定结果

由于Q开关激光器出光时间不稳定，因此本文在实验前先对激光器的出光时间进行测定，确定其波动范围，同时测量激光脉宽和激光能量。将DG645、光电探测器、激光器、能量计和数字示波器电源打开，设定脉冲次数为100次。数字示波器测量结果：激光器出光延迟时间均值为1044ns，激光脉宽均值为12.3ns。通过WinView软件设定ICCD相机曝光时间为3ns。为获得清晰的等离子体图像，实验前还需对相机成像区域的尺寸进行标定。实验采用USAF 1951分辨率板，图3为标定结果，对应2组3至5单元。查表得2组4单元的线宽为88.39，对应像素点为50个。

2.2 激光脉冲期间等离子体羽流特性分析

图3 成像区域标定Fig.3 The calibration of image region

实验中，能量计测得激光能量均值为92mJ。激光经透镜聚焦后，形成的光斑直径为548μm。首先，对实验的可重复性进行验证，本文拍摄了同一时刻的多张等离子体羽流图像，并进行伪彩色处理，如图4所示，红色箭头为激光入射方向。从图4可知，同一时刻的红色区域略有不同，而等离子体羽流整体大小和形状相似。由于每次实验时，碳靶表面并非处处相同，激光辐照区域的材料形状和性能也不相同，导致由激光烧蚀靶材表面产生的等离子体核心区域存在差异；而每次实验靶面周围气体成分、性能可以认为相同，因此红色的等离子体核心之外的区域相同。综上所述，本次重复实验的结果可以用来分析等离子体羽流特性。

图4 6～15ns等离子体羽流图像Fig.4 Plasma plume image from 6ns to 15ns

图5是0～3ns的等离子体羽流图像，红色箭头为激光入射方向。从图5（a）中可以看出，在2ns、3ns时能清楚看到等离子体羽流，且为扁平状。图5（b）为伪彩色处理结果，可以更清楚的看出等离子体羽流形状为扁平状。为确定等离子体羽流早期的形状，本文继续拍摄了3ns以后的等离子体羽流图像。如图6所示，3～5ns的等离子体羽流呈现出扁平状，这与Porneala和Willis[9]实验早期的羽流结果相似。在6ns时羽流表现出半球形，而6ns正好对应激光脉冲峰值时刻，可以认为：在激光脉冲峰值前，激光辐照靶材产生的等离子体羽流呈扁平状。如图4所示，6ns～12ns期间，等离子体羽流以半球形向外扩展；红色的高温高压等离子体核心区域不断增大；且从核心区域向外，等离子体温度逐渐降低。

图5 0～3ns等离子体羽流图像Fig.5 Plasma plume image from 0ns to 3ns

图6 3～6ns等离子体羽流图像Fig.6 Plasma plume image from 3ns to 6ns

2.3 激光脉冲后等离子体羽流特性分析

从图7中可以看出在6ns时靶面附近形成了一个高温高压的等离子体核（Plasma core），随着时间的增加，等离子体核不断增大直至消失；图中蓝色边缘为等离子体羽流前沿（Plasma plume front）在12ns内快速向外扩外扩展。图8显示，等离子体羽流在15ns之后向外扩展速度逐渐减缓，21ns之后轴向（靶面外法向）扩展速度较径向（垂直于靶面外法向）扩展速度快。测量15ns时等离子体核位置时，发现等离子体核已脱离靶面约30μm。在70ns时，等离子体羽流已基本脱离靶面，并且等离子体核在不断变小。等离子体羽流在324ns时消失。从等离子体核心区域的尺寸和颜色变化，可以发现：激光脉冲结束后，等离子体核脱离靶面继续向外扩展，但膨胀速度降低；等离子体核心区域的等离子体温度下降，达到临界值后，等离子体核变小直至消失。

图7 不同延迟时间的等离子体羽流图像Fig.7 Images of plasma plume at various time delays

图8 羽流前沿与延迟时间的散点图Fig.8 The scatter plot of plume front and delay time

3 结论

本文设计了高精度羽流观测系统，记录脉冲激光与碳靶相互作用的过程，获取了羽流形成与传播特性。在脉冲激光峰值前，等离子体羽流呈扁平状，且未出现高温高压的等离子体核。脉冲激光峰值后，靶面附近出现等离子体核，等离子体羽流呈半球形；随着激光能量注入，等离子体核区域和等离子体羽流前沿均快速向外扩展，但未脱离靶面。在激光脉冲结束后，等离子体核脱离靶面，等离子体羽流前沿向外扩展速度减缓。