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纳秒激光等离子体和冲击波初始阶段的光学诊断实验研究

周军  
【摘要】: 本文总结了激光诱导空气击穿产生等离子体的基本知识以及冲击波传输理论。综述了激光等离子体诊断的一般实验方法。采用闪光拍摄法以及光偏转法对等离子体和冲击波的初始演化过程进行了实验诊断研究。 使用高速CCD对等离子体闪光进行拍摄,研究了不同激光能量下诱导空气击穿产生的等离子体的形状、大小、颜色。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尺寸逐渐增大的,增大趋势逐步变小。通过matlab编程对等离子体图片进行去噪、锐化,增强了图片的对比度。从处理好的闪光图片中可以看出等离子体羽颜色大致可分为三层:最内层温度最高显白色且所占面积最大,中间层温度中等显混合色偏蓝,最外层温度最低显绿色。通过对比不同焦距下等离子体的产生情况,得出长焦距透镜在空气中易产生多处击穿现象。 使用光偏转法研究了等离子体以及冲击波的速度衰减变化情况,实验表明等离子体在距探测光较短范围内,与冲击波以相同的速度运动。随着探测距离的增大,等离子体与冲击波逐渐分离,速度减小,且其信号波形展宽,直至距探测光3mm处熄灭。对实验数据使用最小二乘法拟合,并对相应曲线求导,得出冲击波速度随传输距离的衰减变化情况。从曲线中可以看出:前5mm内冲击波速度衰减较剧烈,从10倍声速衰减到500m/s,其后速度衰减趋于平缓,直至10mm左右衰减为声速。


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