提升激光诱导空气击穿的击穿点距离的装置和方法

摘要

一种提升激光诱导空气击穿的击穿点距离的装置和方法，先用合束镜将一束飞秒激光脉冲和一束纳秒激光脉冲合束，通过调节两束光之间的延时，使得飞秒激光先于纳秒激光一定的时间，用凹面反射镜镜将两束光聚焦在空气中产生诱导击穿。该方法跟普通的激光诱导击穿不同的是预先将第一束飞秒激光聚焦，在空气中形成预电离，产生的电子降低了纳秒激光在空气中的击穿阈值，使得纳秒激光产生诱导击穿的击穿点距离较传统方法更远，更远的击穿点距离对远程大气探测技术的发展奠定了基础。本发明对于远程探测大气环境中的气体成分和含量有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及激光光谱技术领域，特别是一种提升激光诱导空气击穿的击穿点距离的装置和方法，对大气环境远程探测有重要的意义。

背景技术

空气中的激光诱导击穿光谱技术是一种先进的光谱检测技术，其具体原理为：利用高能量脉冲激光聚焦到空气中,形成高温、高密度的等离子体,测量等离子体原子和分子发射光谱中的谱线波长和强度,从而对空气中所含化学元素进行定性和定量分析。由于高灵敏度、远程特性等诸多优点，激光诱导击穿光谱技术已经成为研究激光与气体物质相互作用的重要工具。

传统的空气激光诱导击穿光谱技术是利用单束纳秒激光聚焦到空气中形成击穿光谱，但是随着聚焦透镜焦距的增加，即击穿点距离的增加，焦点处的激光光强减小，直到无法在空气中形成等离子体，从而限制了空气中远程探测技术的发展。

发明内容

本发明旨在提供一种提升激光诱导空气击穿的击穿点距离的装置和方法，具有简单、有效的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种提升激光诱导空气击穿的击穿点距离的装置，包括纳秒激光器和凹面反射镜，其特征在于还包括飞秒激光器、延时控制器、合束镜、凸透镜和光谱仪，所述的飞秒激光器的触发输出信号端与所述的延时控制器的输入端相连，该延时控制器的输出端与所述的纳秒激光器的触发输入端相连，所述的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲经所述的合束镜透射后形成透射光，所述的纳秒激光器输出的纳秒激光脉冲经所述的合束镜反射后形成反射光，该透射光和反射光合束后，射入所述的凹面反射镜，并经该凹面反射镜聚焦到空气中形成诱导击穿光谱，产生的荧光光谱经过凸透镜收集到光谱仪中。

利用上述提升激光诱导空气击穿的击穿点距离的装置进行激光诱导击穿的方法，包含下列步骤：

①通过延时控制器，将飞秒激光器的触发输出信号经过一定延时接入纳秒激光器的触发输入端；

②调节光路，使从飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲经合束镜透射形成透射光，从纳秒激光器输出的纳秒激光脉冲经合束镜反射形成反射光，调节飞秒激光脉冲、 纳秒激光脉冲和合束镜使反射光与透射光重合，经合束后的飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲经凹面反射镜聚焦到空气中；

③用凸透镜将空气中产生的激光诱导击穿光谱聚焦到光谱仪中。微调所述延时控制器的延时，当光谱仪显示荧光光谱强度值最大时，是可以达到最远击穿点的延时位置。

本发明的技术效果：

本发明在传统单束纳秒激光聚焦诱导空气击穿的基础上，用合束镜将一束飞秒激光和一束纳秒激光合束，并用延时控制器控制所述飞秒激光和所述纳秒激光以一定延时先后经凹面反射镜聚焦产生激光诱导空气击穿。通过上述装置和方法，使得在传统单束纳秒激光聚焦无法形成等离子体的距离成功诱导空气击穿，从而延长了击穿点的距离。实验中，用上述装置和方法，使得激光诱导空气击穿的击穿点距离是传统方法的三倍。

附图说明

图1为提升激光诱导空气击穿的击穿点距离的装置光路图；

其中：1为飞秒激光器，2为延时控制器，3为合束镜，4为纳秒激光器，5为凹面反射镜，6为凸透镜，7为光谱仪。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，为提升激光诱导击穿光谱技术工作距离的具体实施的光路图。如图所示，飞秒激光器1发出的飞秒激光脉冲中心波长是800nm，脉冲宽度约为40fs，重复频率是1kHz，纳秒激光器4发出的纳秒激光脉冲中心波长是10.6μm，脉冲宽度约为120ns，重复频率为10Hz。飞秒激光器1的触发输出信号与延时控制器2的输入端相连，延时控制器2的输出端与纳秒激光器4的触发输入端相连。开启飞秒激光器1和纳秒激光器4，通过延时控制器2将飞秒激光器1的触发输出信号经过一定延时(约几百纳秒)接入纳秒激光器4的触发输入端。沿着飞秒激光输出方向，在光路上依次设置合束镜3和凹面反射镜5，调节光路，使从飞秒激光器1输出的飞秒激光脉冲经合束镜透射形成透射光；调节纳秒激光器4输出的纳秒激光脉冲，使其经合束镜反射形成反射光，用挡光纸片分别在靠近合束镜3和靠近凹面反射镜5处观察两个光斑，调节飞秒激光脉冲、纳秒激光脉冲和所述合束镜3使两个光斑在两个位置均重合，从而实现合束且同方向传播；调整凹面反射镜5，使得光束聚焦到焦点；用凸透镜6将空气中产生的激光诱导击穿光谱聚焦到光谱仪7中，微调所述延时控制器2的延时，当光谱仪7显示荧光光谱强度值优化到最大值时(此时向不同方向调节延时，光谱仪显示的荧光强度值都会减小)，达到最远击穿点的延时 位置。