亚纳秒级时间分辨尖端放电成像

背景介绍

电场诱导二次谐波产生(Electric Field Induced Second Harmonic Generation, EFISHG)光谱是一种等离子体诊断学中常用于测量体相和表面由电离产生的等离子体的方法【1，2】。通过超快脉冲激光产生的二次谐波，可以非入侵式地检测电离波的产生和传播、电荷的输运和扩散以及非平衡态等离子体中的能量分布，并可以解析时间、空间分辨的电场强度矢量。

利用Nd:YAG激光器产生二次谐波来进行等离子体的分析往往受到脉冲波长的限制。来自Ohio State Univeristy的Admovich博士在King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)，使用了具有更快时间响应的检测器和示波器，进行了在高电压下纳秒脉冲放电的时间分辨测试，展示了EFISHG在等离子体诊断学中的巨大潜力【3】。

实验装置

图1 电场诱导二次谐波(EFISHG)测量尖端放电电场分布示意图

如图1所示，Nd:YAG激光器以10Hz的频率输出功率为10-50mJ/pulse的1064nm脉冲激光，脉冲持续时间约为10-20ns。1064nm的脉冲激光经过一个焦距为150mm的透镜聚焦在两个电极中间，其中一端置于石英管内。施加在尖端电极上的高电压也与脉冲激光的频率保持同步。由电场诱导产生的二次谐波为三阶极化响应，其光强分布遵循下列公式【2】：

其中I(ω)pump为激发脉冲的光强，Eext为外界施加的电场，N为数量密度因子，χ(3)为三阶磁感系数，I(2ω)SH为二次谐波的光强，L为激光聚焦的尺寸(激光聚焦的尺寸远远小于常温常压下脉冲的相干长度)。由上式可以推导出外界施加的电场的表达式为：

经过滤波与分光，二次谐波的光信号由一个光电倍增管收集;而1064nm的脉冲激光的信号由一个光电二极管收集。两者收集的电压波形最终由示波器一并读出，并经过计算处理，得到激光聚焦点处的外界电场信息。等离子体的发光成像则由Teledyne Princeton Instruments PI-MAX4 ICCD相机同步进行拍摄，其500ps的门宽清晰地分辨出了电荷积累、扩散输运等过程，对可视化解析尖端放电过程中的电场变化起到了关键作用。

等离子体发光成像

图2 等离子体发光成像，为更好的视觉效果，光强取对数作图;顶部为电极实物图，对应下图中虚线部分;a)门宽3ns，P=1bar，电极间距为2.0mm;b)门宽500ps，p=2bar，电极间距为1.0mm。

如图2所示，两套图像中t=0ns对应着电极被击穿的瞬间，也是等离子体发光被记录的瞬间。1ns之内，等离子体就充满了电极之间的空间，之后封装电极的石英管表面的电离波开始传播，速度约为1mm/ns。比较图2a和图2b，虽然电极间距离和气体压强不同，但在石英管表面电离波传播的同时，电极间的等离子体都呈现扩散现象;而不同的尖端放电过程的等离子体成像则表明：尖端电极的小曲率半径是产生单个弥散的等离子体细丝的至关重要的条件;否则容易出现若干等离子体细丝，且呈随机分隔的状态 。在电离波传输的过程中延迟为t=4ns时，PI-MAX4 ICCD相机拍摄时选用500ps门宽(图2b)可以比3ns门宽(图2a)更清晰地分辨出电离波传输的图像，实现皮秒级的时间分辨成像。

图3 尖端放电过程中电场强度随时间的变化，电场强度数据经过电场诱导二次倍频的公式处理获得;a)P=1bar，电极间距为2.0mm;b)P=2bar，电极间距为1.0mm。

图3a，图3b分别对应为图2a，图2b同步的电场强度数据，其数据记录也对应ICCD相机的选通门宽分段记录。其中红点记录了原始电场强度，而蓝色代表修正符号后的电场强度;基线附近检测到的电场偏移则是脉冲高压放电过程中的典型现象【4】，通常是由介质极化导致封装石英管的接地电极上积累的残余电荷引起。根据图2a的发光强度变化，等离子体发光在衰退了一段时间后，于10-20ns的延迟之间又再次增加了，意味着产生了微弱的反向击穿，对应图3a中符号相反的电场强度达到极值;图2b中显示，在2bar的压强下击穿电流于第一次击穿后50ns的延迟后再度出现，图3b中也显示出了相应的反向电场，甚至强度超过了初次击穿时的场强。结合电场诱导二次谐波所推导的电场强度变化与ICCD超快门宽拍摄的等离子体发光衰退过程的图像，高压尖端放电的物理过程得以更清晰地被认知。

PI-MAX4 ICCD

PI-MAX 4系列ICCD相机，利用最新一代的高电压快速选通技术，达到了500ps的选通门宽，可以真正意义地实现图像的皮秒级时间分辨能力。全新的数据采集处理软件LightField，不仅集成了常规成像成谱所需要的功能，而且专门为PI-MAX 4 ICCD相机设计了Timing Dashboard功能。

LightField - Timing DashBoard界面

用户在Timing Dashboard中可以可视化地配置ICCD的触发信号、选通信号和输出信号;同时相机也内置了的高精度时点产生器SuperSynchro，选通门宽和延迟可精确控制在10ps的量级，轻松实现全套实验仪器设备的时点同步。

审核编辑 黄宇