等離子體是一種電離氣體，具有獨(dú)特的光學(xué)特性，使其成為一個有趣的研究對象。等離子體被廣泛應(yīng)用于科學(xué)、技術(shù)和工業(yè)的各個領(lǐng)域。了解其特性對于控制等離子催化過程、等離子切割、焊接和噴涂、納米顆粒的合成、植入物和手術(shù)器械的滅菌、燃料混合物點(diǎn)火系統(tǒng)以及現(xiàn)代能源中使用的各種脈沖電放電裝置都是必需的。
可以使用激光探測方法(干涉法、陰影和紋影攝影)來研究高電子濃度的等離子體，當(dāng)激光束與等離子體結(jié)構(gòu)相互作用時，其強(qiáng)度、相位和極化會發(fā)生變化。通過分析激光輻射特性的變化，可以在解決正衍射和逆衍射問題的框架內(nèi)重建等離子體介電常數(shù)的空間分布，并評估其其他重要參數(shù)。然而，即使是這種傳統(tǒng)的血漿診斷方法的實(shí)施也面臨著許多困難。
關(guān)鍵問題是激光輻射衍射，它使光學(xué)測量結(jié)果的解釋變得復(fù)雜，并且在可視化非均勻等離子體結(jié)構(gòu)的過程中起著重要作用。通常，在處理激光探測結(jié)果時并不太重視衍射效應(yīng)，特別是由于實(shí)驗(yàn)中對其分析的復(fù)雜性。同時，在等離子體物體正后方的區(qū)域(近波區(qū))，衍射效應(yīng)的表現(xiàn)模式直到最近才得到充分研究。同時，等離子體微結(jié)構(gòu)圖像的關(guān)鍵特征是在近波區(qū)形成的，詳細(xì)了解這些特征對于后續(xù)精確重建等離子體參數(shù)至關(guān)重要。
為了研究衍射效應(yīng)，科學(xué)家在亥姆霍茲標(biāo)量波動方程的解基礎(chǔ)上對直接衍射問題進(jìn)行了全面的數(shù)值模擬，該方程描述了激光輻射在非均勻等離子體介質(zhì)中的傳播。
圖 1. 等離子體形成對平面波的衍射。資料來源：Physical Review E。
為了解決這個方程，采用了第一 Rytov 近似 - 一種在波的主要前向散射的復(fù)相函數(shù)范式中方程的漸近解方法。高度電離的等離子體細(xì)絲(直徑約 20 µm)被視為等離子體介質(zhì)，充當(dāng)構(gòu)成氣體中電火花的單個微通道的模型(在《物理評論 E》上發(fā)表的作品末尾給出了示例)。此外，科學(xué)家們還通過對衍射輻射通過光學(xué)透鏡系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算，補(bǔ)充了對激光輻射在非均勻等離子體微結(jié)構(gòu)上衍射的建模結(jié)果，在其光學(xué)通道中實(shí)現(xiàn)了基于干涉測量法和陰影攝影的可視化方法。
在實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件下，空間等離子體的出現(xiàn)和演化一般具有零星性。因此，光學(xué)透鏡系統(tǒng)會在記錄的激光輻射場的特性中引入一定的扭曲，因?yàn)樯⒔剐?yīng)的影響會增加 - 光學(xué)系統(tǒng)的記錄物體平面與物體的輸出平面不匹配，從而會在透射輻射場中引入最終的變化。
圖 2. 等效透鏡 (a) 形式的光學(xué)配準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖。等效透鏡聚焦于尖端電極上的示意圖，尖端電極上形成有小的等離子體，離焦距離為?d0：如果透鏡的物面位于等離子體物體的輸出平面后面(b)，則該距離小于零;如果透鏡的物面位于等離子體物體的輸出平面前面(c)，則該距離大于零。資料來源：Physical Review E。
科學(xué)家利用開發(fā)的數(shù)學(xué)儀器、數(shù)值計(jì)算算法和軟件代碼，詳細(xì)描述了相干激光輻射領(lǐng)域等離子體微結(jié)構(gòu)可視化的關(guān)鍵模式。研究人員還確定了衍射效應(yīng)在等離子體成像過程中的作用，并發(fā)現(xiàn)了等離子體成像過程中出現(xiàn)的許多以前未知的光學(xué)偽影。
研究人員發(fā)現(xiàn)，即使在激光束與非均勻等離子體相互作用的最簡單的情況下，衍射效應(yīng)也會對等離子體微結(jié)構(gòu)的可視化產(chǎn)生顯著影響。在近波區(qū)，這些影響尤為明顯，導(dǎo)致等離子體物體記錄的亮度和相位圖出現(xiàn)明顯扭曲。特別是，波的強(qiáng)度和相移出現(xiàn)了大量的波動。
圖 3. 平面波(波長為 532 nm)的強(qiáng)度 (a) 和相移 (b) 的衍射圖，模擬在直徑為 20 μm 的等離子絲后面，距離最遠(yuǎn)可達(dá) L=1 cm(相對于等離子物體的輸出平面)。圖示物體后方在外圍方向上的衍射波的強(qiáng)度(c)和相移(d)的行為，以及沿坐標(biāo) y=0 平面上的傳播(e)的行為。 在物體后方探測光束傳播方向上輻射衍射(以激光輻射強(qiáng)度的變化表示)的亮度圖案的特點(diǎn)是波強(qiáng)度明顯下降(等離子絲充當(dāng)負(fù)圓柱透鏡)，而在外圍，該圖案由交替的小尺度區(qū)域表示，輻射強(qiáng)度增加或減少，適合衍射錐，其頂點(diǎn)的角度與包含等離子體物體的區(qū)域重合。輻射衍射的相位圖也具有眾多波動的特點(diǎn)，其最大值在物體的輸出平面中實(shí)現(xiàn)。隨著與物體距離的增加，由于衍射效應(yīng)增強(qiáng)，物體的亮度和相位模式變得更加扭曲。資料來源：Physical Review E。
研究人員還表明，隨著等離子體電子密度的降低，在物體輸出平面觀察到的衍射效應(yīng)變?nèi)?，而等離子體物體的縮放并不伴隨其輸出平面衍射圖案的變化，但會導(dǎo)致遠(yuǎn)離物體的衍射效應(yīng)表現(xiàn)發(fā)生顯著變化。同時發(fā)現(xiàn)，與等離子體物體的相位衍射圖案相比，它們的亮度圖案(以強(qiáng)度變化獲得)對等離子體電子密度分布的微小變化最為敏感。
研究人員表示，已確定的事實(shí)對于處理實(shí)驗(yàn)中獲得的等離子體結(jié)構(gòu)真實(shí)圖像非常有用。
數(shù)值建模所得結(jié)果可以定量預(yù)測相干激光輻射照射的等離子體微結(jié)構(gòu)可視化中的主要模式，并解釋為什么在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時經(jīng)常觀察到難以解釋的光學(xué)偽影。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果具有很好的一致性，證實(shí)了所提出方法的有效性。
為了測試數(shù)值結(jié)果，研究人員開發(fā)了一種特殊的光學(xué)裝置，其中包括一臺皮秒 Nd：YAG 激光器，發(fā)射波長為 1064 和 532 nm，激光脈沖持續(xù)時間為 70 ps(波長 532 nm)和 1064 nm 時為 100 ps。
圖 4.用于可視化波長為 532 nm 和 1064 nm 的等離子體微結(jié)構(gòu)的診斷裝置示意圖。資料來源：Physical Review E。
該激光與高壓發(fā)生器同步，用于在短放電間隙中在大氣中引發(fā)火花放電。當(dāng)納秒高壓脈沖施加到放電間隙并發(fā)生電擊穿后，在氣體放電介質(zhì)體積中開始以微米電流通道的形式形成高度電離的等離子體。一方面，這些結(jié)構(gòu)被用作研究對象，另一方面，它們被用來驗(yàn)證所開發(fā)的描述其在激光輻射場中的可視化的方法。
為此，科學(xué)家在研制的光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了激光陰影圖和等離子體形成干涉圖的同步配準(zhǔn)，從而能夠以高時間和空間分辨率在兩個波長下同時進(jìn)行診斷。
圖 5. 使用波長為 532 和 1064 nm 的激光陰影攝影和干涉法對大氣中脈沖納秒放電過程中的等離子體微結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。資料來源：Physical Review E。
實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，微米直徑的等離子體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的衍射效應(yīng)，這取決于激光輻射的波長、等離子體電離的程度和物體的尺寸。同時，還可以確認(rèn)等離子體結(jié)構(gòu)可視化中的許多不尋常的效應(yīng)。也就是說，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光學(xué)透鏡系統(tǒng)的物平面聚焦在等離子體形成的特征對稱中心上時，光學(xué)系統(tǒng)圖像平面上輻射強(qiáng)度的任何明顯波動都會消失——物體在陰影圖上變得不可見，并且物體的相位圖像被盡可能正確地記錄下來。對于負(fù)散焦，圖像平面中物體的亮度模式與在直接衍射問題解決框架內(nèi)計(jì)算的物體后方的亮度模式?jīng)]有什么不同。在這種情況下，物體圖像本身的特點(diǎn)是相移分布模糊，出現(xiàn)相反符號的相移波動，物體中心的圖像強(qiáng)度下降，以及物體外圍的圖像強(qiáng)度增加。通過正散焦，等離子體物體的相位圖與通過正散焦觀察到的相位圖相似，但是相移輪廓的形狀存在細(xì)微的差別。
同時，該物體的亮度圖像也出現(xiàn)反轉(zhuǎn);觀察到物體中心圖像強(qiáng)度的增加和物體邊緣圖像強(qiáng)度的減弱。換句話說，物體圖像的對比度被反轉(zhuǎn)了。
圖 6. 在負(fù)和正散焦效應(yīng)條件下，大氣中脈沖納秒放電過程中等離子體微結(jié)構(gòu)的激光陰影攝影。輻射波長為532nm。資料來源：Physical Review E。
莫斯科物理技術(shù)學(xué)院精密光機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室工程師Daniil Tolbukhin指出： “深入了解在相干激光輻射場中可視化等離子體微結(jié)構(gòu)的基本原理，對于精確配準(zhǔn)以及隨后重建介電常數(shù)或電子密度分布至關(guān)重要。” — 了解使用光學(xué)鏡頭系統(tǒng)拍攝物體時物體的具體可視化方式也很重要，因?yàn)楫?dāng)鏡頭或物鏡的物體平面未聚焦在物體的輸出平面上時，散焦效果會變得非常明顯。我們的工作有條不紊地解釋了這些問題的各個方面，并提供了解決這些問題的規(guī)定。此外，可以利用衍射效應(yīng)扭曲物體的亮度和相位模式，從而根據(jù)激光衍射成像的結(jié)果恢復(fù)被照明物體的特性。我們將在后續(xù)研究中證明這一點(diǎn)。”
“快速演化的等離子體微結(jié)構(gòu)是最難進(jìn)行光學(xué)測量的?？梢酝ㄟ^它們與相干激光輻射的相互作用來研究此類物體的光學(xué)特性。然而，即使在最簡單的近似中，激光輻射與微結(jié)構(gòu)等離子體物體的相互作用也可能伴隨著復(fù)雜的衍射效應(yīng)，從而嚴(yán)重扭曲其相位和亮度模式。這不可避免地會影響使用激光輻射進(jìn)行攝影的結(jié)果，導(dǎo)致在恢復(fù)物體參數(shù)時數(shù)據(jù)不正確。這個問題在許多基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域仍然很重要，”物理學(xué)和數(shù)學(xué)博士、P.N. 等離子體結(jié)構(gòu)激光診斷實(shí)驗(yàn)室代理主任#FormatStrongID_0# 指出。列別捷夫物理研究所。列別捷娃。 — “我們的研究結(jié)果揭示了伴隨等離子體微結(jié)構(gòu)可視化過程的衍射效應(yīng)的本質(zhì)，使我們能夠在處理激光圖像時將其考慮在內(nèi)，并顯著提高其數(shù)學(xué)處理的準(zhǔn)確性。未來，研究結(jié)果可能有助于開發(fā)用于控制脈沖氣體放電系統(tǒng)中等離子體產(chǎn)生的精確方法，以及創(chuàng)建具有高時間和空間分辨率的激光衍射斷層掃描系統(tǒng)。”
研究成果為開展快速演化的等離子體微物體研究實(shí)驗(yàn)開辟了巨大可能性。了解激光衍射的關(guān)鍵方面和可視化等離子體結(jié)構(gòu)的模式，使我們能夠顯著簡化激光探測光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括記錄等離子體物體的原理本身。這使得該研究成果受到廣大科學(xué)界的歡迎和利用。
