離子速度分布函數(shù)的精確無(wú)擾動(dòng)測(cè)量一直以來(lái)是低溫等離子體診斷中的難點(diǎn)。激光誘導(dǎo)熒光(LIF)診斷采用極窄線(xiàn)寬的可調(diào)諧連續(xù)激光器對(duì)特定速度區(qū)間的離子進(jìn)行主動(dòng)“標(biāo)記"，測(cè)量熒光強(qiáng)度隨激光中心頻率的變化關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)離子速度分布函數(shù)的高空間分辨、無(wú)擾動(dòng)的精細(xì)測(cè)量。

　　脈沖染料激光器具有波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬、功率高、脈沖重復(fù)頻率高等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于原子分子物理、生物及化學(xué)等科研領(lǐng)域。但其激光線(xiàn)寬較寬，難以承擔(dān)更為精細(xì)的光譜測(cè)量。在等離子體診斷領(lǐng)域，脈沖染料激光器常用于平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)診斷中。經(jīng)一維擴(kuò)束后的激光束入射到等離子體中，對(duì)截面上的熒光進(jìn)行二維成像。由于激光線(xiàn)寬較寬，離子在速度空間中被無(wú)選擇的“標(biāo)記"，二維熒光強(qiáng)度分布對(duì)應(yīng)于離子密度分布。PLIF可提供高時(shí)間分辨的離子密度剖面演化。

　　圖1 激光線(xiàn)寬經(jīng)平行平面腔壓縮前后對(duì)比

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)等離子體診斷技術(shù)課題組通過(guò)在脈沖染料激光器輸出后端外加自制平面平行腔外腔系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光線(xiàn)寬的壓縮及優(yōu)化調(diào)節(jié)，并依托該套系統(tǒng)成功測(cè)量了氧化物陰極放電等離子體中的離子速度分布函數(shù)。

　　利用法布里珀涉儀逐點(diǎn)慢掃描法，分別對(duì)壓縮前后的脈沖染料激光線(xiàn)寬進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示。結(jié)果表明，該平行平面腔將線(xiàn)寬由4GHz壓窄至340MHz，已滿(mǎn)足精細(xì)測(cè)量低溫等離子體中離子速度分布的線(xiàn)寬需求。外加的自制平面平行腔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量級(jí)的線(xiàn)寬壓縮效果。系統(tǒng)成功應(yīng)用于氧化物陰極放電中氬等離子體的離子速度分布函數(shù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。相較于未壓縮激光的測(cè)量結(jié)果，激光線(xiàn)寬壓縮后的離子分布函數(shù)測(cè)量精度顯著提高，速度分辨達(dá)200 m/s, 已接近連續(xù)染料激光器或半導(dǎo)體激光器的測(cè)量精度。

　　圖2 激光誘導(dǎo)熒光診斷測(cè)量結(jié)果：(a)染料激光器激光(4GHz);(b)壓窄后的激光(340MHz)

　　通過(guò)外加平面平行腔壓縮激光線(xiàn)寬這一手段，不僅可獲得足夠窄的激光線(xiàn)寬實(shí)現(xiàn)精細(xì)光譜測(cè)量，還極大地保留了脈沖染料激光器的原有優(yōu)勢(shì)。

　　基于同一脈沖染料激光器，該課題組正繼續(xù)開(kāi)展PLIF診斷系統(tǒng)研制，有望用同一套激光系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)離子速度分布精細(xì)測(cè)量及等離子體密度剖面測(cè)量。該套激光誘導(dǎo)熒光診斷的成功應(yīng)用，無(wú)疑極大拓寬脈沖染料激光器在精細(xì)光譜測(cè)量領(lǐng)域的潛在應(yīng)用范圍。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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