亞納秒級時間分辨尖端放電成像

背景介紹

電場誘導(dǎo)二次諧波產(chǎn)生(Electric Field Induced Second Harmonic Generation, EFISHG)光譜是一種等離子體診斷學(xué)中常用于測量體相和表面由電離產(chǎn)生的等離子體的方法【1，2】。通過超快脈沖激光產(chǎn)生的二次諧波，可以非入侵式地檢測電離波的產(chǎn)生和傳播、電荷的輸運和擴散以及非平衡態(tài)等離子體中的能量分布，并可以解析時間、空間分辨的電場強度矢量。

利用Nd:YAG激光器產(chǎn)生二次諧波來進行等離子體的分析往往受到脈沖波長的限制。來自O(shè)hio State Univeristy的Admovich博士在King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)，使用了具有更快時間響應(yīng)的檢測器和示波器，進行了在高電壓下納秒脈沖放電的時間分辨測試，展示了EFISHG在等離子體診斷學(xué)中的巨大潛力【3】。

實驗裝置

圖1 電場誘導(dǎo)二次諧波(EFISHG)測量尖端放電電場分布示意圖

如圖1所示，Nd:YAG激光器以10Hz的頻率輸出功率為10-50mJ/pulse的1064nm脈沖激光，脈沖持續(xù)時間約為10-20ns。1064nm的脈沖激光經(jīng)過一個焦距為150mm的透鏡聚焦在兩個電極中間，其中一端置于石英管內(nèi)。施加在尖端電極上的高電壓也與脈沖激光的頻率保持同步。由電場誘導(dǎo)產(chǎn)生的二次諧波為三階極化響應(yīng)，其光強分布遵循下列公式【2】：

其中I(ω)pump為激發(fā)脈沖的光強，Eext為外界施加的電場，N為數(shù)量密度因子，χ(3)為三階磁感系數(shù)，I(2ω)SH為二次諧波的光強，L為激光聚焦的尺寸(激光聚焦的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常溫常壓下脈沖的相干長度)。由上式可以推導(dǎo)出外界施加的電場的表達(dá)式為：

經(jīng)過濾波與分光，二次諧波的光信號由一個光電倍增管收集;而1064nm的脈沖激光的信號由一個光電二極管收集。兩者收集的電壓波形最終由示波器一并讀出，并經(jīng)過計算處理，得到激光聚焦點處的外界電場信息。等離子體的發(fā)光成像則由Teledyne Princeton Instruments PI-MAX4 ICCD相機同步進行拍攝，其500ps的門寬清晰地分辨出了電荷積累、擴散輸運等過程，對可視化解析尖端放電過程中的電場變化起到了關(guān)鍵作用。

等離子體發(fā)光成像

圖2 等離子體發(fā)光成像，為更好的視覺效果，光強取對數(shù)作圖;頂部為電極實物圖，對應(yīng)下圖中虛線部分;a)門寬3ns，P=1bar，電極間距為2.0mm;b)門寬500ps，p=2bar，電極間距為1.0mm。

如圖2所示，兩套圖像中t=0ns對應(yīng)著電極被擊穿的瞬間，也是等離子體發(fā)光被記錄的瞬間。1ns之內(nèi)，等離子體就充滿了電極之間的空間，之后封裝電極的石英管表面的電離波開始傳播，速度約為1mm/ns。比較圖2a和圖2b，雖然電極間距離和氣體壓強不同，但在石英管表面電離波傳播的同時，電極間的等離子體都呈現(xiàn)擴散現(xiàn)象;而不同的尖端放電過程的等離子體成像則表明：尖端電極的小曲率半徑是產(chǎn)生單個彌散的等離子體細(xì)絲的至關(guān)重要的條件;否則容易出現(xiàn)若干等離子體細(xì)絲，且呈隨機分隔的狀態(tài) 。在電離波傳輸?shù)倪^程中延遲為t=4ns時，PI-MAX4 ICCD相機拍攝時選用500ps門寬(圖2b)可以比3ns門寬(圖2a)更清晰地分辨出電離波傳輸?shù)膱D像，實現(xiàn)皮秒級的時間分辨成像。

圖3 尖端放電過程中電場強度隨時間的變化，電場強度數(shù)據(jù)經(jīng)過電場誘導(dǎo)二次倍頻的公式處理獲得;a)P=1bar，電極間距為2.0mm;b)P=2bar，電極間距為1.0mm。

圖3a，圖3b分別對應(yīng)為圖2a，圖2b同步的電場強度數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)記錄也對應(yīng)ICCD相機的選通門寬分段記錄。其中紅點記錄了原始電場強度，而藍(lán)色代表修正符號后的電場強度;基線附近檢測到的電場偏移則是脈沖高壓放電過程中的典型現(xiàn)象【4】，通常是由介質(zhì)極化導(dǎo)致封裝石英管的接地電極上積累的殘余電荷引起。根據(jù)圖2a的發(fā)光強度變化，等離子體發(fā)光在衰退了一段時間后，于10-20ns的延遲之間又再次增加了，意味著產(chǎn)生了微弱的反向擊穿，對應(yīng)圖3a中符號相反的電場強度達(dá)到極值;圖2b中顯示，在2bar的壓強下?lián)舸?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流于第一次擊穿后50ns的延遲后再度出現(xiàn)，圖3b中也顯示出了相應(yīng)的反向電場，甚至強度超過了初次擊穿時的場強。結(jié)合電場誘導(dǎo)二次諧波所推導(dǎo)的電場強度變化與ICCD超快門寬拍攝的等離子體發(fā)光衰退過程的圖像，高壓尖端放電的物理過程得以更清晰地被認(rèn)知。

PI-MAX4 ICCD

PI-MAX 4系列ICCD相機，利用最新一代的高電壓快速選通技術(shù)，達(dá)到了500ps的選通門寬，可以真正意義地實現(xiàn)圖像的皮秒級時間分辨能力。全新的數(shù)據(jù)采集處理軟件LightField，不僅集成了常規(guī)成像成譜所需要的功能，而且專門為PI-MAX 4 ICCD相機設(shè)計了Timing Dashboard功能。

LightField - Timing DashBoard界面

用戶在Timing Dashboard中可以可視化地配置ICCD的觸發(fā)信號、選通信號和輸出信號;同時相機也內(nèi)置了的高精度時點產(chǎn)生器SuperSynchro，選通門寬和延遲可精確控制在10ps的量級，輕松實現(xiàn)全套實驗儀器設(shè)備的時點同步。

審核編輯 黃宇