基于单次曝光PIE成像的强激光天体物理实验等离子体三维密度测量技术研究

In order to solve the shortcomings of laser plasma diagnostics technology in optical path structure, data acquisition and 3-D reconstruction for high-power laser driven laboratory astrophysics research, this project combines and improves the single-shot PIE and the single-shot Fourier Transform PIE imaging, and combines with multi-slice theory to study a new 3-D laser plasma density measurement technique. The technique uses Daman grating to generate multi-beam probe light to illuminate the plasma from different angles at the same time. A single-shot of the lens array records the transmission intensity array of the entire probe light, and iteratively calculates the refractive index distribution of all the plasma 'optical sectioning' layer along the optical axis wtih a specially designed algorithm, then calculate the 3-D electron density. Because it does not use interference light path, it is not assumed that the light beam propagates along a straight line when passing through the plasma and it does not use Abel transformation. The technique has simple optical path and high measurement accuracy, not only avoids all the disadvantages of the traditional plasma diagnostics technique, but also measures plasma density distribution changes in time by combining with the framing recording technology. It helps to solve many problems associated with plasma density distribution in high-power laser driven laboratory astrophysics research and promote the rapid development of related research in the field of astrophysics.

为解决强激光天体物理实验研究中，现用激光离子体测量技术在光路结构、数据采集和三维重建等方面所存在的不足，本项目将我们前期研究的单次曝光PIE成像和单次曝光傅里叶变换PIE成像进行融合改进，并和multi-slice理论相结合，研究一种新的激光等离子体三维密度测量技术。该技术用达曼光栅产生多束探针光从不同角度同时照射等离子体，用透镜列阵单次曝光记录全部探针光的透射强度像阵列，并用特别设计的算法迭代地计算出沿着光轴排列的所有等离子体“光学切片”层的折射率分布，进而计算出三维电子密度。由于不采用干涉光路、不假设光束穿过等离子时体沿直线传播、不采用Abel变换，该技术光路简单、测量精度高，不仅可避免传统等离子体检测技术的所有缺点，还可以和分幅记录技术相结合，测量出等离子体密度分布的时间变化，帮助解决强激光天体物理实验研究中同等离子体密度分布相关联的诸多难题，促进天体物理领域相关研究的快速发展。

为解决强激光天体物理实验研究中，现用激光离子体测量技术在光路结构、数据采集和三维重建等方面所存在的不足，本项目将我们前期研究的单次曝光PIE成像和单次曝光傅里叶变换PIE成像进行融合改进，并和multi-slice理论相结合，研究一种新的激光等离子体三维测量技术。. 项目实施过程中完成了高分辨单次曝光PIE三维成像系统的关键元器件设计、加工和采购，在PIE原理基础上，发展出了多角度照明单次曝光重建算法，实现了实验数据的快速采集和图像的高质量重建；解决了三维成像样品内部层与层之间的计算传输问题，实现了高精度多角度照明单次曝光PIE算法成像重建，系统分析了基于PIE多角度照明成像系统的分辨能力；搭建实验系统，实现了三维成像样品三维复振幅透过率实验测量，横向分辨率达到11微米，轴向分辨率达到2.9毫米；提出了单次曝光超快多模态相干衍射成像方法，利用多模态相位恢复算法和分束编码平均技术成功实现了单次曝光超快相位成像，实现了高时间分辨、空间分辨和高信噪比的单次曝光超快相位成像；解决了泵浦光、探针光和探测器的同步等技术问题，实验测量了紫外激光诱导玻璃表面损伤和体内成丝的物理过程，研究了体内成丝、表面损伤、冲击波等过程的瞬态变化，空间分辨率达到6.96微米，与传统单模态测量技术对比，该方法相位测量误差优于1%，为强激光天体物理实验等离子体三维密度测量提供了新的技术途径。. 在本项目的研究工作中，项目团队一共发表科研论文28篇，其中被SCI收录18篇，EI收录10篇，其中Photonics Research1篇，Optics Letters1篇，Optics Express6篇，申请国家发明专利44项，其中已授权12项，部分研究成果荣获2021年第二届全国机械工业设计创新大赛银奖。值得一提的是，在本项目研究中，与中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所和国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室开展合作研究，获得了较好的研究成果。本项目的研究在激光聚变、生物医学成像领域具有重要的应用前景。