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背景介紹

電場誘導二次諧波產生(Electric Field Induced Second Harmonic Generation, EFISHG)光譜是一種等離子體診斷學中常用于測量體相和表面由電離產生的等離子體的方法【1，2】。通過超快脈沖激光產生的二次諧波，可以非入侵式地檢測電離波的產生和傳播、電荷的輸運和擴散以及非平衡態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Ohio 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在等離子體診斷學中的巨大潛力【3】。

實驗裝置

圖1 電場誘導二次諧波(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，脈沖持續時間約為10-20ns。1064nm的脈沖激光經過一個焦距為150mm的透鏡聚焦在兩個電極中間，其中一端置于石英管內。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。由電場誘導產生的二次諧波為三階極化響應，其光強分布遵循下列公式【2】：

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

經過濾波與分光，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鍵作用。

等離子體發光成像

圖2 等離子體發光成像，為更好的視覺效果，光強取對數作圖;頂部為電極實物圖，對應下圖中虛線部分;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對應著電極被擊穿的瞬間，也是等離子體發光被記錄的瞬間。1ns之內，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擴散現象;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生單個彌散的等離子體細絲的至關重要的條件;否則容易出現若干等離子體細絲，且呈隨機分隔的狀態。在電離波傳輸的過程中延遲為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的圖像，實現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，電場強度數據經過電場誘導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分別對應為圖2a，圖2b同步的電場強度數據，其數據記錄也對應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象【4】，通常是由介質極化導致封裝石英管的接地電極上積累的殘余電荷引起。根據圖2a的發光強度變化，等離子體發光在衰退了一段時間后，于10-20ns的延遲之間又再次增加了，意味著產生了微弱的反向擊穿，對應圖3a中符號相反的電場強度達到極值;圖2b中顯示，在2bar的壓強下擊穿電流于第一次擊穿后50ns的延遲后再度出現，圖3b中也顯示出了相應的反向電場，甚至強度超過了初次擊穿時的場強。結合電場誘導二次諧波所推導的電場強度變化與ICCD超快門寬拍攝的等離子體發光衰退過程的圖像，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，達到了500ps的選通門寬，可以真正意義地實現圖像的皮秒級時間分辨能力。全新的數據采集處理軟件LightField，不僅集成了常規成像成譜所需要的功能，而且專門為PI-MAX 4 ICCD相機設計了Timing Dashboard功能。