等离子体是一种电离气体，具有独特的光学特性，使其成为一个有趣的研究对象。等离子体被广泛应用于科学、技术和工业的各个领域。了解其特性对于控制等离子催化过程、等离子切割、焊接和喷涂、纳米颗粒的合成、植入物和手术器械的灭菌、燃料混合物点火系统以及现代能源中使用的各种脉冲电放电装置都是必需的。
可以使用激光探测方法(干涉法、阴影和纹影摄影)来研究高电子浓度的等离子体，当激光束与等离子体结构相互作用时，其强度、相位和极化会发生变化。通过分析激光辐射特性的变化，可以在解决正衍射和逆衍射问题的框架内重建等离子体介电常数的空间分布，并评估其其他重要参数。然而，即使是这种传统的血浆诊断方法的实施也面临着许多困难。
关键问题是激光辐射衍射，它使光学测量结果的解释变得复杂，并且在可视化非均匀等离子体结构的过程中起着重要作用。通常，在处理激光探测结果时并不太重视衍射效应，特别是由于实验中对其分析的复杂性。同时，在等离子体物体正后方的区域(近波区)，衍射效应的表现模式直到最近才得到充分研究。同时，等离子体微结构图像的关键特征是在近波区形成的，详细了解这些特征对于后续精确重建等离子体参数至关重要。
为了研究衍射效应，科学家在亥姆霍兹标量波动方程的解基础上对直接衍射问题进行了全面的数值模拟，该方程描述了激光辐射在非均匀等离子体介质中的传播。
图 1. 等离子体形成对平面波的衍射。资料来源：Physical Review E。
为了解决这个方程，采用了第一 Rytov 近似 - 一种在波的主要前向散射的复相函数范式中方程的渐近解方法。高度电离的等离子体细丝(直径约 20 µm)被视为等离子体介质，充当构成气体中电火花的单个微通道的模型(在《物理评论 E》上发表的作品末尾给出了示例)。此外，科学家们还通过对衍射辐射通过光学透镜系统的数值计算，补充了对激光辐射在非均匀等离子体微结构上衍射的建模结果，在其光学通道中实现了基于干涉测量法和阴影摄影的可视化方法。
在实际实验条件下，空间等离子体的出现和演化一般具有零星性。因此，光学透镜系统会在记录的激光辐射场的特性中引入一定的扭曲，因为散焦效应的影响会增加 - 光学系统的记录物体平面与物体的输出平面不匹配，从而会在透射辐射场中引入最终的变化。
图 2. 等效透镜 (a) 形式的光学配准系统示意图。等效透镜聚焦于尖端电极上的示意图，尖端电极上形成有小的等离子体，离焦距离为∆d0：如果透镜的物面位于等离子体物体的输出平面后面(b)，则该距离小于零;如果透镜的物面位于等离子体物体的输出平面前面(c)，则该距离大于零。资料来源：Physical Review E。
科学家利用开发的数学仪器、数值计算算法和软件代码，详细描述了相干激光辐射领域等离子体微结构可视化的关键模式。研究人员还确定了衍射效应在等离子体成像过程中的作用，并发现了等离子体成像过程中出现的许多以前未知的光学伪影。
研究人员发现，即使在激光束与非均匀等离子体相互作用的最简单的情况下，衍射效应也会对等离子体微结构的可视化产生显著影响。在近波区，这些影响尤为明显，导致等离子体物体记录的亮度和相位图出现明显扭曲。特别是，波的强度和相移出现了大量的波动。
图 3. 平面波(波长为 532 nm)的强度 (a) 和相移 (b) 的衍射图，模拟在直径为 20 μm 的等离子丝后面，距离最远可达 L=1 cm(相对于等离子物体的输出平面)。图示物体后方在外围方向上的衍射波的强度(c)和相移(d)的行为，以及沿坐标 y=0 平面上的传播(e)的行为。 在物体后方探测光束传播方向上辐射衍射(以激光辐射强度的变化表示)的亮度图案的特点是波强度明显下降(等离子丝充当负圆柱透镜)，而在外围，该图案由交替的小尺度区域表示，辐射强度增加或减少，适合衍射锥，其顶点的角度与包含等离子体物体的区域重合。辐射衍射的相位图也具有众多波动的特点，其最大值在物体的输出平面中实现。随着与物体距离的增加，由于衍射效应增强，物体的亮度和相位模式变得更加扭曲。资料来源：Physical Review E。
研究人员还表明，随着等离子体电子密度的降低，在物体输出平面观察到的衍射效应变弱，而等离子体物体的缩放并不伴随其输出平面衍射图案的变化，但会导致远离物体的衍射效应表现发生显著变化。同时发现，与等离子体物体的相位衍射图案相比，它们的亮度图案(以强度变化获得)对等离子体电子密度分布的微小变化最为敏感。
研究人员表示，已确定的事实对于处理实验中获得的等离子体结构真实图像非常有用。
数值建模所得结果可以定量预测相干激光辐射照射的等离子体微结构可视化中的主要模式，并解释为什么在处理实验数据时经常观察到难以解释的光学伪影。数值模拟结果与实验观测结果具有很好的一致性，证实了所提出方法的有效性。
为了测试数值结果，研究人员开发了一种特殊的光学装置，其中包括一台皮秒 Nd：YAG 激光器，发射波长为 1064 和 532 nm，激光脉冲持续时间为 70 ps(波长 532 nm)和 1064 nm 时为 100 ps。
图 4.用于可视化波长为 532 nm 和 1064 nm 的等离子体微结构的诊断装置示意图。资料来源：Physical Review E。
该激光与高压发生器同步，用于在短放电间隙中在大气中引发火花放电。当纳秒高压脉冲施加到放电间隙并发生电击穿后，在气体放电介质体积中开始以微米电流通道的形式形成高度电离的等离子体。一方面，这些结构被用作研究对象，另一方面，它们被用来验证所开发的描述其在激光辐射场中的可视化的方法。
为此，科学家在研制的光学系统中实现了激光阴影图和等离子体形成干涉图的同步配准，从而能够以高时间和空间分辨率在两个波长下同时进行诊断。
图 5. 使用波长为 532 和 1064 nm 的激光阴影摄影和干涉法对大气中脉冲纳秒放电过程中的等离子体微结构进行可视化。资料来源：Physical Review E。
实验研究结果表明，微米直径的等离子体结构表现出明显的衍射效应，这取决于激光辐射的波长、等离子体电离的程度和物体的尺寸。同时，还可以确认等离子体结构可视化中的许多不寻常的效应。也就是说，研究人员发现，当光学透镜系统的物平面聚焦在等离子体形成的特征对称中心上时，光学系统图像平面上辐射强度的任何明显波动都会消失——物体在阴影图上变得不可见，并且物体的相位图像被尽可能正确地记录下来。对于负散焦，图像平面中物体的亮度模式与在直接衍射问题解决框架内计算的物体后方的亮度模式没有什么不同。在这种情况下，物体图像本身的特点是相移分布模糊，出现相反符号的相移波动，物体中心的图像强度下降，以及物体外围的图像强度增加。通过正散焦，等离子体物体的相位图与通过正散焦观察到的相位图相似，但是相移轮廓的形状存在细微的差别。
同时，该物体的亮度图像也出现反转;观察到物体中心图像强度的增加和物体边缘图像强度的减弱。换句话说，物体图像的对比度被反转了。
图 6. 在负和正散焦效应条件下，大气中脉冲纳秒放电过程中等离子体微结构的激光阴影摄影。辐射波长为532nm。资料来源：Physical Review E。
莫斯科物理技术学院精密光机电一体化实验室工程师Daniil Tolbukhin指出： “深入了解在相干激光辐射场中可视化等离子体微结构的基本原理，对于精确配准以及随后重建介电常数或电子密度分布至关重要。” — 了解使用光学镜头系统拍摄物体时物体的具体可视化方式也很重要，因为当镜头或物镜的物体平面未聚焦在物体的输出平面上时，散焦效果会变得非常明显。我们的工作有条不紊地解释了这些问题的各个方面，并提供了解决这些问题的规定。此外，可以利用衍射效应扭曲物体的亮度和相位模式，从而根据激光衍射成像的结果恢复被照明物体的特性。我们将在后续研究中证明这一点。”
“快速演化的等离子体微结构是最难进行光学测量的。可以通过它们与相干激光辐射的相互作用来研究此类物体的光学特性。然而，即使在最简单的近似中，激光辐射与微结构等离子体物体的相互作用也可能伴随着复杂的衍射效应，从而严重扭曲其相位和亮度模式。这不可避免地会影响使用激光辐射进行摄影的结果，导致在恢复物体参数时数据不正确。这个问题在许多基础科学和应用科学领域仍然很重要，”物理学和数学博士、P.N. 等离子体结构激光诊断实验室代理主任#FormatStrongID_0# 指出。列别捷夫物理研究所。列别捷娃。 — “我们的研究结果揭示了伴随等离子体微结构可视化过程的衍射效应的本质，使我们能够在处理激光图像时将其考虑在内，并显著提高其数学处理的准确性。未来，研究结果可能有助于开发用于控制脉冲气体放电系统中等离子体产生的精确方法，以及创建具有高时间和空间分辨率的激光衍射断层扫描系统。”
研究成果为开展快速演化的等离子体微物体研究实验开辟了巨大可能性。了解激光衍射的关键方面和可视化等离子体结构的模式，使我们能够显著简化激光探测光学系统的设计，包括记录等离子体物体的原理本身。这使得该研究成果受到广大科学界的欢迎和利用。
