在激光诊断领域，乔治亚理工学院的Mitchell L. R. Walker II与德州农工大学的研究人员合作，取得了重大突破。他们在《科学仪器评论》期刊上发表的论文《使用体布拉格光栅窄带滤波器进行高分辨率空间扩展的1D激光散射诊断》展示了这一成果。研究团队通过一种新型的紧凑型体布拉格光栅滤波器激光系统设计以及Teledyne Princeton Instruments设备，成功收集了旋转拉曼和汤姆逊散射轮廓，损失极小。这一创新为激光诊断提供了更高的精度和效率。
使用的Teledyne Princeton Instruments系统包括IsoPlane 320光谱仪和PI-MAX 4电子倍增像增强探测器（emICCD），这套系统在等离子体的瞬态光谱测量中提供了高分辨率。PI-MAX 相机具有窄门控和亚纳秒级的精确定时功能，能够测量快速变化的等离子体相互作用动态。等离子体动力学在许多领域都有重要影响，包括聚变、X射线生成、燃烧和推进等。
激光光散射系统通常使用体布拉格光栅（VBG）滤波器作为光谱/角度滤波器，并常被用作点测量技术，空间分辨率低至几百微米，由光束腰决定。在这项工作中，作者展示了如何利用VBG滤波器进行空间分辨测量，达到几个微米的分辨率，覆盖光束传播轴上几毫米的范围。通过分析导出滤波器的角度接受准则确定的拒绝环，并解释了其用于一维激光线拒绝的应用。对于所展示的示例，即探针光束腰直径为几微米时，拒绝环可提供沿光束传播轴上的分辨率，长度可达几毫米，而且这一测量长度是可调的。此外，提出并展示了进一步扩展可测量区域的方法，例如使用不同焦距的准直透镜或使用多个VBG滤波器。后者可以最大限度地减少散射信号损失，而不影响立体角。多重VBG的使用旨在延长沿光束轴的可测量区域，这不同于常见的多滤波器应用，其目的是改善弹性干扰的抑制效果。为验证该方法，进行了脉冲和直流放电的一维旋转拉曼和汤姆逊散射测量。该系统具有紧凑性、易于实现、高通量以及灵活性，能够适应各种实验条件。
激光光散射是一种重要的诊断工具，能够在高压/高温环境中对测试样品进行远程访问，而在这些环境中使用物理探针进行测量实际上是受限的。在适当考虑激光诱导扰动的情况下，它能够实现非扰动性测量。通过对散射体相关状态量（如温度和密度）的准确测量，可以验证物理模拟模型，从而更好地理解物理现象并优化特定应用的设计。这是因为使用这些激光光散射技术所需的假设很少，甚至可能不需要局部热平衡。
散射配置通常位于激光束传播轴的非轴向位置，实际的最大信号通常在与激光束偏振方向垂直的方向上收集。激光聚焦束腰高度局部化，空间分辨率由束腰和另一个限制光圈决定。这种配置产生了局部测量，与光发射光谱和微波干涉术等路径集成技术不同，这些技术需要使用断层扫描方法来进行空间分辨的测量。在激光束沿轴线上，空间分辨率由光学系统和检测相机的分辨率决定，在自由空间光学检测系统中，这可能达到几十微米。同时，垂直于激光束的最大分辨率由束腰决定，通常约为100–200微米。
检测体积中的不同散射体，如单原子和多原子中性气体粒子、离子和电子，其散射方式各不相同。了解散射体和检测参数可以直接测量它们的一些关键状态属性。瑞利散射是由束缚电子产生的诱导偶极矩的弹性光散射，可以用于测量气体的温度、速度和密度。拉曼散射是一种与分子旋转或振动状态的转变相关的非弹性散射过程，可提供分子数量密度和旋转/振动温度。汤姆逊散射来自自由电子，可用于测量电子温度、密度、漂移速度及电子能量分布函数——这些都是定义等离子体组成的基本属性。
弹性散射光（瑞利散射和杂散光）的强度通常比拉曼或汤姆逊散射强几个数量级。在弱电离等离子体中，由于中性粒子密度远大于等离子体密度，瑞利散射占主导地位，而在完全电离的等离子体中，汤姆逊散射占主导地位；然而，在这两种情况下，激光反射产生的杂散光通常会淹没信号，因此需要进行抑制。在10^(-32) m^2sr^(-1)范围内，不同粒子的右角散射微分散射截面为：瑞利散射（N2）为3.9，旋转拉曼散射（N2 J–J' = 6–8）为0.054，汤姆逊散射（e-）为794。还需要注意的是，由于反射和其他因素，杂散光的强度可能非常接近激光线，如果不加处理，它们可能会通过检测系统。因此，在许多等离子体应用中，如低温、弱电离等离子体中，由于中性粒子密度比电子密度高出几个数量级，汤姆逊信号变得难以检测。为了检测拉曼和汤姆逊散射信号，激光线附近的光（瑞利散射/杂散光）应有效去除，以防止探测器饱和。这种激光线抑制可以通过多种技术来实现，如三光栅光谱仪、气泡池、玻璃/干涉滤光片、物理掩模和体布拉格光栅（VBG）滤波器。
过去使用VBG滤波器进行激光散射实验的数据分析主要局限于点测量，这可能是该方法的一个显著限制。吴等人最近的研究展示了使用VBG滤波器对纳秒重复脉冲放电进行汤姆逊散射的一维（1D）测量，显示出空间光散射测量的扩展可能性。然而，使用方法的详细说明尚未给出。
在本文中，作者详细阐述了如何基于VBG滤波器的第一原理实现一维测量。作者提供了几个用于表征抑制区域的有用方程，这些方程有助于确定设计此类系统时的可测量长度和分辨率等设计参数。此外，作者提出了一种使用多个VBG来进一步扩展测量区域的方法。需要注意的是，这种提出的方法不同于通常已知的使用多个VBG来提高抑制能力的应用。通过VBG滤波器沿激光传播轴扩展的测量体积，预计将非常有利于保持沿光束传播轴的期望空间分辨率，用于需要高吞吐量光散射诊断的应用。
图 6.使用体布拉格光栅滤光片进行激光散射诊断的典型光学装置示意图。
图 11.氮气在 20 kPa （150 Torr） 和室温下的旋转拉曼散射 （RRS），（a） 使用一个 VBG，（b） 使用两个 VBG。白色区域是视野受到额外狭缝限制的地方。
关于作者：
Mitchell L. R. Walker II, Ph.D.
丹尼尔·古根海姆航空航天工程学院 （AE） 主席
佐治亚理工学院
mitchell.walker@coe.gatech.edu
Walker 博士自 2004 年以来一直是 AE School 的教职员工。他的主要研究兴趣包括航天器先进等离子体推进概念的实验和理论研究。这包括对霍尔推进器、网格离子发动机和真空设施效应的关注。Walker 是佐治亚理工学院高功率电力推进实验室的负责人。他还是价值 1500 万美元的联合先进推进研究所 （JANUS） 的首席研究员和主任，该研究所是美国宇航局 （NASA） 空间技术研究所，负责制定策略和方法，以克服大功率电力推进系统地面测试的限制。JANUS 的目标是实现和推广大功率电力推进系统的飞行。
原文链接：
https://pubs.aip.org/aip/rsi/article/94/2/023003/2869152?mkt_tok=NjkzLUpJUC0xMDkAAAGVPZ_80-84bpcRsytbeV25EndAogOLQ7-W23-uDz0KbcNHnh21Z583QRUTMw-IpLYrWwmgwJl4BFM4sLiOeYNXsplNQhYRAJ68eJKyqPGj
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