離子速度分布函數(shù)的精確無擾動測量一直以來是低溫等離子體診斷中的難點。激光誘導熒光(LIF)診斷采用極窄線寬的可調諧連續(xù)激光器對特定速度區(qū)間的離子進行主動“標記"，測量熒光強度隨激光中心頻率的變化關系，從而實現(xiàn)離子速度分布函數(shù)的高空間分辨、無擾動的精細測量。
脈沖染料激光器具有波長調諧范圍寬、功率高、脈沖重復頻率高等優(yōu)勢，已廣泛應用于原子分子物理、生物及化學等科研領域。但其激光線寬較寬，難以承擔更為精細的光譜測量。在等離子體診斷領域，脈沖染料激光器常用于平面激光誘導熒光(PLIF)診斷中。經(jīng)一維擴束后的激光束入射到等離子體中，對截面上的熒光進行二維成像。由于激光線寬較寬，離子在速度空間中被無選擇的“標記"，二維熒光強度分布對應于離子密度分布。PLIF可提供高時間分辨的離子密度剖面演化。
圖1 激光線寬經(jīng)平行平面腔壓縮前后對比
中國科學技術大學先進等離子體診斷技術課題組通過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)，實現(xiàn)了激光線寬的壓縮及優(yōu)化調節(jié)，并依托該套系統(tǒng)成功測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慢掃描法，分別對壓縮前后的脈沖染料激光線寬進行測量，如圖1所示。結果表明，該平行平面腔將線寬由4GHz壓窄至340MHz，已滿足精細測量低溫等離子體中離子速度分布的線寬需求。外加的自制平面平行腔系統(tǒng)實現(xiàn)了一個量級的線寬壓縮效果。系統(tǒng)成功應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)測量，測量結果如圖2所示。相較于未壓縮激光的測量結果，激光線寬壓縮后的離子分布函數(shù)測量精度顯著提高，速度分辨達200 m/s, 已接近連續(xù)染料激光器或半導體激光器的測量精度。
圖2 激光誘導熒光診斷測量結果：(a)染料激光器激光(4GHz);(b)壓窄后的激光(340MHz)
通過外加平面平行腔壓縮激光線寬這一手段，不僅可獲得足夠窄的激光線寬實現(xiàn)精細光譜測量，還極大地保留了脈沖染料激光器的原有優(yōu)勢。
基于同一脈沖染料激光器，該課題組正繼續(xù)開展PLIF診斷系統(tǒng)研制，有望用同一套激光系統(tǒng)分別實現(xiàn)離子速度分布精細測量及等離子體密度剖面測量。該套激光誘導熒光診斷的成功應用，無疑極大拓寬脈沖染料激光器在精細光譜測量領域的潛在應用范圍。
參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)
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