飞秒激光等离子体通道干涉图相位和电子密度提取方法技术

一种飞秒激光等离子体通道干涉图相位和电子密度提取方法，包括下列步骤：ＣＣＤ相机拍摄无等离子体时探针光的背景干涉光强图和有等离子体时探针光的等离子体通道干涉光强图；干涉图滤波去噪；寻取明暗条纹位置；计算得到等离子体通道相位差空间分布Ｐ（ｉ，ｊ）和背景相位差空间分布Ｐｂｇ（ｉ，ｊ）；获得扣除背景后的相位差空间分布图Ｐ０（ｉ，ｊ）；将所述的扣除背景后的相位差空间分布图Ｐ０（ｉ，ｊ）去噪；将所述的平滑的相位差空间分布图的相位差分布对称化，获得对称的相位差分布图Ｐｓ（ｉ，ｊ）；用阿贝尔变换方法对所述的对称的相位差分布图Ｐｓ（ｉ，ｊ）进行处理，获得等离子体通道电子密度分布图。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学测量领域，特别是一种飞秒激光等离子体通道干涉图相位和电子密度提取方法。
技术介绍
飞秒强激光与物质相互作用是当前科学研究的热点前沿之一。近年来，随着超短 超强激光技术的迅猛发展，在小型化台式激光系统上，目前已经实现了时间宽度只有几飞 秒的超短脉冲激光，可聚焦功率密度已达1021W/cm2甚至更高量级。如此高的激光强度已被 应用于与固体和气体靶相互作用的实验中，包括激光粒子加速，高能X射线和核聚变中子 的产生等。在这些超快强激光与物质相互作用的研究中，等离子体通道的电子密度分布是 不可缺少的一个重要参数。作为一种常见的光学测量手段，干涉法被应用于对等离子体参 数的超快光学探测中。通过分析干涉图中携带的与等离子体通道电子密度相关的相位信 息，可以实现对等离子体通道电子密度分布和其他参数的测量。快速有效地提取飞秒激光 干涉图中的相位信息和电子密度分布，对飞秒激光等离子体通道特性的诊断以及超快强激 光与物质相互作用的研究具有重要意义。 在提取干涉图相位信息的现有技术"移相干涉图像的信息处理系统及其处理方 法"(专利公开号CN1975321)中，需用CCD相机连续摄取多帧的干涉图像，从多帧干涉图中 恢复出波面的原始相位信息。但在超快激光测量中，由于激光脉冲在空间的干涉区域仅为 ym量级，探测系统的一些不确定因素，比如温度、气流、激光方向微小变化和激光能量起伏 等会使干涉条纹出现较大的非正常抖动，不能满足多帧连续拍摄处理的要求。因此常用的 针对连续光干涉图相位信息的提取技术在超快激光脉冲激光干涉测量中不易实现。 M. Takeda等人曾在文章"Fourier-transform method of fringe-pattern analysis forcomputer-based topography and interferometry，， (J. Opt. Soc. Am.， Vol. 72， No. 1,1982， pl56_160)中提出一种基于傅里叶变换去噪的手段提取干涉条纹相 位信息方法，并被用到后来对超快干涉测量相位信息和等离子体电子密度分布的提取技 术中 。 i亥禾中方法不需要连续拍摄多帧的干涉图，而是将单帧的干涉图中被相位信息调制和未被调制干 涉光强进行比较，通过傅里叶变换的方法提取相位信息。然而，受限于其算法本身，提取出 来的相位值被限制在(-n， 区间内并且呈不连续分布，需要通过进一步判断和相位补 偿，将阶跃的相位值拼接起来以获得连续的相位分布。这种相位拼接过程将增加不必要的 计算误差并限制数据处理速度，其计算的简洁性和效率有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，考虑到超快激光干涉测量的具体条 件，提供一种，以准确快速地提取出直观且连续的空间相位分布值，大大提高工作效率。 本专利技术的技术解决方案如下 —种，其特点在于该方法 包括下列步骤 ①用CCD相机拍摄无等离子体时探针光的背景干涉光强图Ibg(i， j)和有等离子体 时探针光的等离子体通道干涉光强图I(i， j); ②干涉图滤波去噪 将所述的等离子体通道干涉光强图进行快速傅里叶变换获得等离子体通道频域 信息，滤掉频谱中的高频信号，减少系统的噪声干扰，获得去噪后的等离子体通道干涉光强 图If(i， j); ③对所述的去噪后等离子体通道干涉光强图If(i， j)寻取明暗条纹位置 逐行寻取去噪后的等离子体通道干涉光强图中的波峰和波谷并记录其位置获得等离子体通道明暗条纹位置图A(i， j); ④从所述的等离子体通道明暗条纹位置图A(i， j)计算得到等离子体通道相位差 空间分布P(i， j): ⑤用上述步骤②至④同样的方法，对所述的背景干涉光强图Ibg(i， j)进行处理， 得到无等离子体时的背景相位差空间分布Pbg(i， j); ⑥将第④的等离子体通道相位差的空间分布P(i， j)扣除第⑤步的背景相位差空 间分布Pbg(i， j)，获得扣除背景后的相位差空间分布图P。(i， j); ⑦将所述的扣除背景后的相位差空间分布图P。(i， j)去噪 再次使用快速傅里叶变换的方法对所述的扣除背景后的相位差空间分布图P。(i， j)滤波去噪，得到平滑的相位差空间分布图P。f(i， j); ⑧将所述的平滑的相位差空间分布图的相位差分布对称化，获得对称的相位差分 布图Ps(i， j); ⑨使用阿贝尔变换方法对所述的对称的相位差分布图Ps(i， j)进行处理，获得等 离子体通道电子密度分布图。 所述的干涉图滤波去噪的具体方法是 ①将CCD相机所拍摄的等离子体通道干涉光强图用二维矩阵I(i， j)表述，其中i =1， 2， . . . ， M ; j = 1， 2， . . . ， N，储存，该矩阵行值i和列值j对应CCD像素点位置，M， N分 别对应CCD相机行向和列向像素点数目，其中(i， j)为干涉场坐标，该I(i， j)的矩阵元值 对应该像素点的干涉光强值； ②将所述的干涉光强二维矩阵I(i， j)经二维快速傅里叶变换，得到频谱矩阵 I (i， j)，该频谱矩阵I (i， j)中包含高频噪声成分和低频干涉光强成分，使用二阶巴特沃 斯低通滤波器滤去其中的高频噪声成分，该二阶巴特沃斯低通滤波器的放大率G和频率co 关系如下 ,)"TTT^， 式中"。为截止频率，单位为弧度每秒(rad/s)，通过设置"。的大小，去除频率大 于"。的高频噪声，只保留所需要的干涉光强变化低频信息，得到滤波后的频谱矩阵I f (i，6j); ③对所述的滤波后的频谱矩阵I。f(i，j)进行傅里叶逆变换，还原得到去噪后的等 离子体通道干涉光强分布矩阵If (i， j)。 所述的去噪后干涉图寻取明暗条纹位置的具体方法为 ①对所述的去噪后的干涉图光强矩阵If(i， j)逐行扫描，寻取每行的波峰位置和 波谷位置，对If (a， j)元素沿列方向，其中a依次取1、2、……M，沿j增加的方向进行扫描， 当满足If (a， j-1) <= If (a， j) >= If (a， j+1)时，j对应一波峰位置；当满足If (a， j_l) >=If (a， j) <= If (a， j+1)时，j对应一波谷位置; ②建立一与If(i， j)相同大小的全零矩阵A(i， j)，将寻取到的If(i， j)的波峰和 波谷位置(i， j)所对应的A(i， j)矩阵中矩阵点元赋值为l，即用赋值后的A(i， j)记录所 述的If(i， j)中干涉条纹波峰和波谷的位置，即去噪后干涉图明暗条纹位置。 所述的计算等离子体通道相位差空间分布的方法为 ①选取A(i，j)前X行干涉条纹无弯曲处逐行扫描，计算出相邻明暗干涉条纹的平 均间隔像素数目n和全图干涉明暗条纹总数T ; ②获取每条干涉明暗条纹无弯曲处的平均列位置，即每条干涉条纹所对应A(i，j) 中前X行值为1的矩阵元的平均列位置，放在一行矩阵C(k)中，k为干涉条纹序号，C的长 度为T，例如，当k = b时，C(b)的值即为第b条干涉条纹上前X行无弯曲处的各像素点的 平均列位置； ③从第X+l行开始，对A(i， j)逐行扫描，当扫描到A(i， j) = 1即波峰或者波谷位 置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞秒激光等离子体通道干涉图相位和电子密度提取方法，其特征在于该方法包括下列步骤：①用ＣＣＤ相机拍摄无等离子体时探针光的背景干涉光强图Ｉ↓［ｂｇ］（ｉ，ｊ）和有等离子体时探针光的等离子体通道干涉光强图Ｉ（ｉ，ｊ）；②干涉图滤波去噪：将所述的等离子体通道干涉光强图进行快速傅里叶变换获得等离子体通道频域信息，滤掉频谱中的高频信号，减少系统的噪声干扰，获得去噪后的等离子体通道干涉光强图Ｉ↓［ｆ］（ｉ，ｊ）；③对所述的去噪后等离子体通道干涉光强图Ｉ↓［ｆ］（ｉ，ｊ）寻取明暗条纹位置：逐行寻取去噪后的等离子体通道干涉光强图中的波峰和波谷并记录其位置获得等离子体通道明暗条纹位置图Ａ（ｉ，ｊ）；④从所述的等离子体通道明暗条纹位置图Ａ（ｉ，ｊ）计算得到等离子体通道相位差空间分布Ｐ（ｉ，ｊ）：⑤用上述步骤②至④同样的方法，对所述的背景干涉光强图Ｉ↓［ｂｇ］（ｉ，ｊ）进行处理，得到无等离子体时的背景相位差空间分布Ｐ↓［ｂｇ］（ｉ，ｊ）；⑥将第④的等离子体通道相位差的空间分布Ｐ（ｉ，ｊ）扣除第⑤步的背景相位差空间分布Ｐ↓［ｂｇ］（ｉ，ｊ），获得扣除背景后的相位差空间分布图Ｐ↓［０］（ｉ，ｊ）；⑦将所述的扣除背景后的相位差空间分布图Ｐ↓［０］（ｉ，ｊ）去噪：再次使用快速傅里叶变换的方法对所述的扣除背景后的相位差空间分布图Ｐ↓［０］（ｉ，ｊ）滤波去噪，得到平滑的相位差空间分布图Ｐ↓［０ｆ］（ｉ，ｊ）；⑧将所述的平滑的相位差空间分布图的相位差分布对称化，获得对称的相位差分布图Ｐ↓［ｓ］（ｉ，ｊ）；⑨使用阿贝尔变换方法对所述的对称的相位差分布图Ｐ↓［ｓ］（ｉ，ｊ）进行处理，获得等离子体通道电子密度分布图。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周子理，卢海洋，夏长权，刘建胜，李儒新，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]