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    2号站重庆时时彩app下载: 易调节的气体密度测量系统及其测量方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201610016650.4

    申请日:

    2016.01.11

    公开号:

    CN105606488A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 9/24申请日:20160111|||公开
    IPC分类号: G01N9/24 主分类号: G01N9/24
    申请人: 中国科学院上海光学精密机械研究所
    发明人: 冯珂; 李文涛; 王文涛; 余昌海; 方明; 吴颖; 齐荣; 张志钧; 刘建胜; 王成; 冷雨欣; 李儒新
    地址: 201800 上海市嘉定区上海市800-211邮政信箱
    优先权:
    专利代理机构: 上海新天专利代理有限公司 31213 代理人: 张泽纯;张宁展
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610016650.4

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2019.03.08|||2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种易调节的气体密度测量系统,包括格林棱镜、透镜、直角反射棱镜、可调节光学镜架、水平导轨、CCD,本发明能够有效的测量气体密度的分布,具有操作简单,方便高效,应用范围广泛的优点。本发明利用光束进入直角反射棱镜后平行于原光束出射的特点,实现调节直角反射棱镜时,只有一个维度上对光束产生影响,从而降低系统调节的复杂性。本发明可用于激光等离子体相互作用的领域,特别是等离子体尾波场加速电子机制中,探测等离子体通道的形成以及气体密度的分布。

    权利要求书

    1.一种易调节的气体密度测量系统,特征在于包括:具有入射窗片(1)和出射
    窗片(9)的真空腔,探测光束经过该入射窗片(1)进入到该真空腔内,在该真空腔
    内沿探测光路方向依次在光学平台上固定有第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第
    一激光衰减片(4)、起偏格林棱镜(5)、第三反射镜(6)和短焦透镜(8),探测光
    束经出射窗片(9)输出,在所述的第三反射镜(6)和短焦透镜(8)之间设有喷气
    阀(7),该喷气阀(7)通过气体管道与真空腔外部气体瓶相连接,通过气体瓶开关
    控制是否喷气;
    沿所述的出射窗片(9)的输出光束方向依次放置有长焦透镜(10)、小孔光阑
    (11)和分光镜(12),该分光镜(12)将探测光束分为透射光束和反射光束,透射
    光束为光束一,反射光束为光束二,所述长焦透镜(10)与短焦透镜(8)之间的距
    离为两透镜的焦距之和;
    在所述光束一光路方向设有第一直角反射棱镜(13),该第一直角反射棱镜(13)
    的三角形平面固定于第一可调节光学镜架(17)的上表面,该第一直角反射棱镜(13)
    的斜边所对应的平面与光束一的光路方向垂直,所述光束一经该第一直角反射棱镜
    (13)反射后再经所述分光镜(12)反射后通过第二激光衰减片(15)进入CCD(16);
    在所述光束二光路方向设有第二直角反射棱镜(14),该第二直角反射棱镜(14)
    三角形平面固定于第二可调节光学镜架(21)的侧面,该第二可调节光学镜架(21)
    固定在水平导轨(26)上,第二直角反射棱镜(14)的斜边所对应的平面与光束二的
    光路方向垂直,所述光束二经过第二直角反射棱镜(14)反射后,再经所述分光镜
    (12)透射后通过第二激光衰减片(15)进入CCD(16),与光束一发生干涉。
    2.根据权利要求1所述的易调节的气体密度测量系统,其特征在于所述的第一
    直角反射棱镜(13)和所述的第二直角反射棱镜(14)相互垂直放置,所述第一直角
    反射棱镜(13)调节光束的俯仰,实现对干涉条纹方向的调节,所述第二直角反射
    棱镜(14)调节光束的左右,实现对干涉条纹间距的调节。
    3.根据权利要求1所述的易调节的气体密度测量系统,其特征在于所述的格林
    棱镜(5)具有高消光比,保证探测光束的线偏振特性。
    4.根据权利要求1所述的易调节的气体密度测量系统,其特征在于所述的短焦
    透镜(8)与长焦透镜(10)构成扩束系统。
    5.根据权利要求1所述的易调节的气体密度测量系统,其特征在于所述的短焦
    透镜(8)与长焦透镜(10)的焦距分别为20cm和50cm。
    6.利用权利要求1至5任一所述的易调节的气体密度测量系统的气体密度的测
    量方法,其特征在于,包括以下步骤:
    (1)关闭喷气阀(7),将光阑(11)的小孔调至最小,同时调节第一可调节光学
    镜架(17)和第二可调节光学镜架(21)使CCD(16)上光束一与光束二的光斑重合;
    (2)将光阑(11)开至最大,同时调节第一可调节光学镜架(17)和水平导轨(26),
    使CCD(16)上干涉条纹竖直;
    (3)调节第二可调节光学镜架(21)和水平导轨(26),使CCD(16)上的干涉条
    纹在屏幕上的间距为4-7mm;
    (4)打开喷气阀(7),观测干涉条纹弯曲的区域与弯曲程度,计算气体密度分布。

    说明书

    易调节的气体密度测量系统及其测量方法

    技术领域

    本发明涉及激光等离子体相互作用领域中气体密度的测量,具体是一种易调节
    的气体密度测量系统及其测量方法。

    背景技术

    随着激光等离子体相互作用特别是基于尾波场加速产生高能电子束领域的快
    速发展,气体介质作为相互作用的关键区域,影响电子束的能量与电量,需要一定
    的手段探测相互作用区域内气体密度的分布。

    传统的干涉仪如迈克尔逊干涉仪、泰曼干涉仪等,均采用平面镜作为反射镜,
    在调节平面镜时,需要保证平面镜与入射光束的方向保持垂直,平面镜如果有一个
    小角度的转动,就会同时引起光束俯仰和左右的变化,导致干涉条纹质量变差,甚
    至得不到干涉条纹。

    这些方案虽然也可以用于测量气体密度分布,但是大大增加了系统调节的复杂
    性,费时费力,因此需要一种易于调节,精度较高的干涉系统作为测量气体密度分
    布的装置。

    发明内容

    本发明的目的是针对传统的干涉探测系统存在的缺陷,提供一种易于调节、高分
    辨率的易调节的气体密度测量系统,利用直角反射棱镜代替传统的平面反射镜,所
    述直角反射棱镜固定于可调节的光学镜架上,调节光学镜架时,直角反射棱镜在两
    个维度上转动,但只有一个维度上对于光束的方向产生影响,从而实现对于光束的
    俯仰和左右分开调节。能够有效的降低干涉系统调节的复杂性,操作简单,并且具
    有较高的探测分辨率。

    本发明的技术解决方案如下:

    一种易调节的气体密度测量系统,包括:具有入射窗片和出射窗片的真空腔,
    探测光束经过入射窗片进入到该真空腔内,在该真空腔内沿探测光路方向依次在光
    学平台上固定有第一反射镜、第二反射镜、第一激光衰减片、起偏格林棱镜、第三
    反射镜和短焦透镜,探测光束经出射窗片输出,在所述的第三反射镜和短焦透镜之
    间设有喷气阀,该喷气阀通过气体管道与真空腔外部气体瓶相连接,通过气体瓶开
    关控制是否喷气;沿所述的出射窗片的输出光束方向依次放置有长焦透镜、小孔光
    阑和分光镜,该分光镜将探测光束分为透射光束和反射光束,透射光束为光束一,
    反射光束为光束二,所述长焦透镜与短焦透镜之间的距离为两透镜的焦距之和;

    在所述光束一光路方向设有第一直角反射棱镜,该第一直角反射棱镜的三角形
    平面固定于第一可调节光学镜架的上表面,该第一直角反射棱镜的斜边所对应的平
    面与光束一的光路方向垂直,所述光束一经该第一直角反射棱镜反射后再经所述分
    光镜反射后通过第二激光衰减片进入CCD;

    在所述光束二光路方向设有第二直角反射棱镜,该第二直角反射棱镜三角形平
    面固定于第二可调节光学镜架的侧面,该第二可调节光学镜架固定在水平导轨上,
    第二直角反射棱镜的斜边所对应的平面与光束二的光路方向垂直,所述光束二经过
    第二直角反射棱镜反射后,再经所述分光镜透射后通过第二激光衰减片进入CCD16,
    与光束一发生干涉。

    探测光路的中心波长为800nm,反射镜对于800nm波长的光具有高反射率;所述
    格林棱镜作为光束的起偏器,该棱镜为透射式偏振装置,具有极高的消光比,以保
    证探测光束线偏振的特性;所述格林棱镜对光强具有阈值要求,为了避免光强过高
    损坏棱镜,需要在格林棱镜前放置合适的衰减片。

    所述扩束系统由一个短焦透镜和一个长焦透镜组成,其作用是将探测光路进行
    放大(放大的倍数取决于两个透镜的焦距之比),以提高探测的分辨率。

    由光阑、分光镜、直角反射棱镜和CCD组成干涉???,所述分光镜具有50%、50%
    的透射率和反射率,且与光束成45°角放置;所述直角反射棱镜斜边对应的平面与
    探测光束垂直,且固定于可调节的光学镜架上,所述第一直角反射棱镜三角形平面
    固定于第一可调节光学镜架的上表面,当调节镜架的旋钮时,该直角反射棱镜在两
    个维度上转动,水平方向上的转动不影响光束的方向,竖直方向上的转动调节光束
    的俯仰,从而实现对于干涉条纹方向的调节;所述第二直角反射棱镜三角形的平面
    固定在第二可调节光学镜架的侧面,当调节镜架的旋钮时,该直角反射棱镜在两个
    维度上转动,水平方向上的转动调节光束的左右,而竖直方向上的转动不影响光束
    的方向,从而实现对于干涉条纹间距的调节;所述第二可调节光学镜架固定于水平
    移动的水平导轨上,用于调节两相干光束的延时;探测光束经过分光镜分光后,分
    别经过所述两个直角反射棱镜反射,再次经过分光镜后,入射至CCD处,为了避免
    光强过大损坏CCD,在CCD镜头前加入合适的衰减片。

    另一方面,本发明还公开了一种利用上述易调节的气体密度测量系统的进行气
    体密度的测量方法,包括以下步骤:

    (1)关闭喷气阀,将光阑的小孔调至最小,同时调节第一可调节光学镜架和第二
    可调节光学镜架使CCD上光束一与光束二的光斑重合;

    (2)将光阑开至最大,同时调节第一可调节光学镜架和水平导轨,使CCD上干涉
    条纹竖直;

    (3)调节第二可调节光学镜架和水平导轨,使CCD上的干涉条纹在屏幕上的间距
    为4-7mm;

    (4)打开喷气阀,观测干涉条纹弯曲的区域与弯曲程度,计算气体密度分布。

    本发明的基本原理是利用分别通过待测气体和不通过待测气体的两束相干光产
    生的干涉条纹,通过测量干涉条纹的弯曲程度和范围得出等离子体通道的尺度与通
    道内气体密度的分布。采用两个相互垂直的直角反射棱镜,每个直角反射棱镜对光
    束只实现一个方向上的调节,从而实现对于干涉条纹的方向和条纹间距的调节。

    与现有技术相比,本发明具有如下显著特点:

    1、利用相互垂直的直角反射棱镜代替传统的反射镜,将对光束俯仰和左右
    的调节分开,降低干涉系统调节的复杂性,具有操作简单,方便高效等优点。

    2、加入水平导轨用于调节延时,配合棱镜对于光束的俯仰和左右的调节,
    实现对于干涉条纹方向与条纹间距的调节。

    附图说明

    图1为本发明易调节气体密度测量系统的结构示意图

    图2为第一直角反射棱镜13、第一可调节光学镜架的结构示意图

    图3为第二直角反射棱镜14、第二可调节光学镜架和水平导轨的结构示意图

    图4为实验中实际测量的干涉条纹

    图5为根据图4计算出的气体密度分布图

    具体实施方式

    下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明,但不应以此限制本发明的保
    护范围。

    请先参阅图1,图1为本发明易调节的气体密度测量系统一个实施例的结构示
    意图。由图可见,本实施例易调节的气体密度测量系统的结构包括:探测光束经过
    入射窗片1进入到真空腔,在探测光路前进的方向上,依次固定有对800nm的光具
    有极高反射率的第一反射镜2和第二反射镜3,探测光束经过第一反射镜2和第二
    反射镜3反射后,依次通过第一激光衰减片4、起偏格林棱镜5和第三反射镜6后
    到达喷气阀7处,喷气阀7通过气体管道与外界气体瓶连接,通过气体瓶的开关控
    制是否喷气;在喷气区域,通过喷气的那部分探测光光程会增加,而未通过喷气的
    那部分探测光光程未发生变化;该探测光接下来通过短焦透镜8、出射窗片9和长
    焦透镜10,所述短焦透镜8与长焦透镜10组成扩束系统,短焦透镜8和长焦透镜
    10之间通过出射窗片9过渡,本实施例中,短焦透镜8与长焦透镜10的焦距依次
    为20cm和50cm,放大倍数为2.5倍;经过所述扩束系统的探测光束进入干涉模
    块,经过分光镜12分光形成两光束,透射光束为光束一,反射光束为光束二;光
    束一通过第一直角反射棱镜13反射和分光镜12反射后,通过第二激光衰减片15
    进入到CCD16中;光束二通过第二直角反射棱镜14反射和分光镜12透射后,通
    过第二激光衰减片15进入到CCD16中,与光束一发生干涉。

    本发明的实施例中,是研究激光等离子体尾波场加速电子,由于所用激光光束
    的功率特别高,为了避免光束将空气击穿发生成丝等各种非线性效应,需要将其置
    于真空腔内;所述扩束系统中的短焦透镜需要放置在距离喷嘴较近的位置,因此也
    位于真空腔内;而由于长焦透镜焦距较长,将所述扩束系统中的长焦透镜放置于真
    空腔外,两个透镜之间通过出射窗片过渡;为了便于调节,将所述干涉??橐仓糜?br />真空腔外部。

    图2为第一直角反射棱镜13和第一可调节光学镜架17的结构示意图,所述第
    一直角反射棱镜13三角形所对应的平面固定于第一可调节光学镜架17的上表面,
    所述第一可调节光学镜架17上有三个旋钮,第一旋钮18、第二旋钮19和第三旋
    钮20,所述第一旋钮18控制可调节光学镜架17的高低,第二旋钮19和第三旋钮
    20用于调节所述第一直角反射棱镜13的俯仰和左右。

    图3为第二直角反射棱镜14、第二可调节光学镜架21和水平导轨结构示意
    图,所述第二直角反射棱镜14三角形平面固定于第二可调节光学镜架21的侧面,
    所述第二可调节光学镜架21上有三个调节旋钮,第四旋钮22、第五旋钮23和第
    六旋钮24,所述第四旋钮22和第五旋钮23用于调节第二直角反射棱镜14的俯仰
    与左右,第六旋钮24用于调节第二可调节光学镜架21的高低;所述第二可调节光
    学镜架21固定于水平导轨26上,所述第二可调节光学镜架21的底座与水平导轨
    26上的弹簧连接,水平导轨26上有第七旋钮25,所述第七旋钮25控制弹簧的拉
    伸与压缩,进而达到调节两光束延时的目的。

    在开始操作之前,调节各光学元器件与探测光束同光轴;关闭喷气,调节干涉
    条纹,具体调节方法如下:首先将光阑11的小孔调至最小,此时在CCD16屏幕上
    出现两个小光斑,调节所述第二旋钮19和第四旋钮22至两个光斑重合,此时两光
    束具有最大的相干面积;接下来将光阑开至最大,同时调节第二旋钮19和第七旋
    钮25至干涉条纹出现后,继续调节第二旋钮19和第七旋钮25至干涉条纹为竖
    直,所述第二旋钮19用于调节第一直角反射棱镜13的俯仰和左右,所述第一直角
    反射棱镜13的俯仰引起出射光束俯仰的变化,而第一直角反射棱镜13左右的转动
    不影响出射光束的方向,只引起光程差的改变;所述第七旋钮25控制第二直角反
    射棱镜14的平移,以补偿第一直角反射棱镜13转动引起光程差的改变;光束一和
    光束二分别经过第一直角反射棱镜13和第二直角反射棱镜14反射后在分光镜12
    上形成的两个小光斑可看作次级光源,在CCD16上产生干涉,通过第二旋钮19调
    节光束的俯仰,相当于调节两个次级光源相对CCD16的位置,使得距离两个次级
    光源的等光程差面与CCD16屏幕的交线为竖直,即达到了调节干涉条纹方向的目
    的;干涉条纹方向调节完毕后,同时调节第四旋钮22和第七旋钮25,使干涉条纹
    在屏幕上的间距为4-7mm;所述第四旋钮22调节第二直角反射棱镜14的俯仰和左
    右,第二直角反射棱镜14的左右转动引起出射光束方向的变化,而第二直角反射
    棱镜14俯仰的变化不引起光束方向的改变,只引起光程差的改变,通过调节第七
    旋钮25控制第二直角反射棱镜14的平移,以补偿第二直角反射棱镜14转动引起
    光程差的改变;第二直角反射棱镜14的左右转动相当于调节两个次级光源的间
    距,由干涉条纹间距的计算公式:

    Δ x = D λ d - - - ( 1 ) ]]>

    式中,D为观测点到两个次级光源所在平面的距离,λ为相干光束的波长,d为两个
    次级光源的间距;本实施例中,D和λ保持不变,干涉条纹的间距随着两个次级光
    源间距的改变而变化,即第二直角反射棱镜14的转动引起两个次级光源间距的变
    化,从而达到调节干涉条纹间距的目的。

    干涉条纹调节完毕后,打开喷气,干涉条纹出现弯曲;图4为实验中实际测量
    的干涉条纹,干涉条纹弯曲的区域为气体分布的区域,干涉条纹弯曲的程度越高,
    气体的密度越大;从所述的干涉图中,可以提取相移的信息,进而通过Abel变化
    得到气体密度分布的计算公式:


    式中,λp为探测光束的波长,为从干涉图中提取的相移信息(参见P.Tomassini
    etal.,AgeneralizationofAbelinversiontonon-axisymmetricdensity
    distribution.OpticsCommunication199(2001),143-148.)

    图5为根据图4中的干涉条纹计算出的通道内气体密度的分布,横轴为CCD的
    像素点分布,每个像素点为0.16μm,截取部分的总长度为4.8cm;纵轴为气体密
    度分布值,单位为cm-3。在气体通道上升沿,气体密度很快增长至6×1019cm-3;
    在通道内部,气体密度最高达到8×1019cm-3,变化较为平缓;在通道的下降沿,
    气体密度很快降至0。

    实验表明,本发明易调节的气体密度测量系统能够提供一种简单有效的方法测
    量气体密度的分布,操作简单,方便高效。本发明可用于强激光等离子体相互作用
    领域,特别是激光等离子体尾波场加速中,探测等离子体通道与气体密度分布,能
    够有效解决传统干涉系统调节复杂,费时费力等缺点。

    关 键 词:
    调节 气体 密度 测量 系统 及其 测量方法
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