1.一种基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征装置，其特征在于，包括光丝调控组件，开孔金属板和声波测量组件；所述的光丝调控组件将输出的飞秒激光在任意位置处聚焦成丝，所述的开孔金属板用于反射光丝诱导的声波，而只允许开孔处所对应的光丝激发的声波通过，避免干涉造成的部分声波时域信息的丢失，然后由声波测量组件实现声波脉冲的测量；
所述的光丝调控组件包括光源部和光聚焦部，所述光源部为飞秒激光器，用于发射脉冲宽度为飞秒量级的激光脉冲，所述光聚焦部为凹透镜和凸透镜的组合透镜，组合透镜焦距可调；
所述的开孔金属板开孔宽度小于1cm，开孔数可调，孔间距递减可调。
2.根据权利要求1所述的基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征装置，其特征在于，所述的声波测量组件包括麦克风、电信号适调仪和数据记录设备，麦克风有效探测距离大于5m。
3.一种基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征方法，其特征在于，包括如下测量步骤：
(1)飞秒激光器出射的重复频率为500Hz的超快激光脉冲经组合透镜在焦点处聚焦后，在空气中成丝，产生超快激光光丝，成丝过程中伴随着声波的产生；
(2)开孔金属板平行放置于光丝一侧；
(3)透过开孔金属板上狭缝的声波被声波测量组件接收并转换为电压信号，经放大后，最终显示出声波的时域测量结果a；
(4)根据麦克风与光丝之间的相对距离以及声速，从a中计算得出光丝的起始位置和长度信息，从而实现对光丝空间特征的表征。
4.根据权利要求3所述的基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征方法，其特征在于，所述步骤(2)中，开孔金属板的第一狭缝应对准或提前于光丝起始位置，开孔金属板长度大于光丝长度。
5.根据权利要求3所述的基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征方法，其特征在于，所述步骤(3)中，声波测量组件中的麦克风垂直放置于开孔金属板第一狭缝位置处，与光丝的距离可调。

技术领域
[0001]本发明涉及强场激光物理领域，具体涉及一种基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征装置及方法。
背景技术
[0002]超快强激光在空气传输过程中，当由克尔效应引起的自聚焦效应与激光等离子体引起的散焦效应达到动态平衡时，可在空气中形成均匀细长的等离子体通道，即光丝。超快激光成丝具有超高激光强度、超快时间尺度、超远成丝距离以及可在恶劣极端大气条件下成丝等特点，使其在大气遥感探测、强太赫兹波产生以及激光雷达和诱导云层放电等领域有着重大的应用前景。然而这些应用的前提和基础是对成丝过程的精准调控，这就迫切的需要各种光丝表征技术来测量成丝过程中的激光参数、介质物理特性、光丝空间特征和超快演化过程，从而为丰富实验认识、理解成丝机制及研究调控原理提供关键数据支持。
[0003]光丝表征的最大困难在于光丝中高强度的激光足以破坏任何探测器，无法利用各种常规仪器进行直接测量。为了解决这一问题，基于成丝过程中诱导的各种物理效应，多种间接测量方法已经被用于表征光丝。而基于光声效应的声学表征方法具有快速、无损和高分辨率的优点，是最常使用的光丝表征技术之一。
[0004]传统的声学表征技术通过测量光丝不同位置激发的声音信号，获得光丝的空间位置、长度和光丝内的电子密度及其随激光传输距离的演化等信息。但是测量过程中需要将麦克风等检测设备沿着激光传输方向不停的移动，这会极大的增加工作量和工作难度，尤其是当光丝长度达到数米长时，难以保证测量条件的一致性，导致产生较大的测量误差，这极大的降低了光丝表征的效率和准确性。
发明内容
[0005]本发明旨在针对传统光丝声学表征技术的不足与局限性，提出一种基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征装置及方法。
[0006]本发明的技术方案是：一种基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征装置，其结构包括光丝调控组件，开孔金属板和声波测量组件。所述的光丝调控组件将输出的飞秒激光在任意位置处聚焦成丝，所述的开孔金属板用于反射光丝诱导的声波，而只允许开孔处所对应的光丝激发的声波通过，避免干涉造成的部分声波时域信息的丢失，然后由声波测量组件实现声波脉冲的测量，测量时无需沿光丝方向移动声波测量组件。
[0007]所述的光丝调控组件包括光源部和光聚焦部，所述光源部为飞秒激光器，用于发射脉冲宽度为飞秒量级的激光脉冲，所述光聚焦部为凹透镜和凸透镜的组合透镜，组合透镜焦距可调。
[0008]所述的开孔金属板开孔宽度小于1cm，开孔数可调，孔间距递减可调。
[0009]所述的声波测量组件包括麦克风，电信号适调仪和数据记录设备，比如示波器。麦克风有效探测距离大于5m。
[0010]本发明同时提供了声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征方法，该方法通过上述测量装置实现，包括以下步骤：
[0011]步骤1：飞秒激光器出射的重复频率为500Hz的超快激光脉冲经组合透镜在焦点处聚焦后，在空气中成丝，产生超快激光光丝，成丝过程中伴随着声波的产生；
[0012]步骤2：开孔金属板平行放置于光丝一侧；
[0013]步骤3：透过开孔金属板狭缝的声波被声波测量组件接收并转换为电压信号，经放大后，最终显示出声波的时域测量结果a；
[0014]步骤4：根据麦克风与光丝之间的相对距离以及声速从a中计算得出光丝的起始位置和长度等信息，从而实现对飞秒激光光丝空间特征的表征。
[0015]本发明相对于传统的光丝声学表征技术有以下优势：
[0016]其一，本发明只需进行一次简单的声信号测量即可实现对飞秒激光光丝空间特征的表征，解决了传统声学表征技术效率低的问题。
[0017]其二，本发明所用装置简单，测量范围大。该装置可实现对长度达1m以上的长光丝诱导的声波进行测量。
[0018]其三，本发明无需移动声波测量组件，极大保持了测量条件的一致性，解决了传统声学表征技术存在较大测量误差的问题。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一些简单地介绍。
[0020]图1为本发明一个实施例的测量装置示意图。
[0021]图2为本发明一个实施例的开孔金属板示意图。
[0022]图3为本发明所测量的长光丝诱导的声学时域波形的示意图。
[0023]图中，1飞秒激光器，2凹透镜，3凸透镜，4开孔金属板，5麦克风，6电信号适调仪，7示波器。
具体实施方式
[0024]为详细说明本发明中技术方案的技术内容、所实现的目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
[0025]实施例1：
[0026]如图1所示，本发明提供了一种基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征装置，包括光丝调控组件，开孔金属板和声波测量组件。光丝调控组件包括飞秒激光器1、凹透镜2、凸透镜3，声波测量组件包括麦克风5、电信号适调仪6、示波器7。
[0027]所述飞秒激光器1，用于输出飞秒激光；所述凹透镜2，用于对飞秒激光进行扩束；所述凸透镜3，与凹透镜2组合，用于聚焦飞秒激光，诱导空气电离成丝并通过改变凸透镜3与凹透镜2之间的相对距离来改变组合透镜的焦距，从而改变光丝的空间分布；所述开孔金属板4如图2所示，平行放置于光丝一侧，用于反射光丝诱导的声波，而只允许开孔处所对应的光丝激发的声波通过；所述麦克风5，垂直放置于开孔金属板4狭缝位置处，用于探测光丝诱导的声波信号并将其转换为电信号；所述电信号适调仪6，用于给麦克风5供电，同时将信号进行适度放大；所述示波器7，用于显示并存储所测量的声波时域信号。
[0028]实施例2：
[0029]一种基于声学时域波形的飞秒激光光丝空间特征表征方法。具体步骤如下：
[0030]首先调节钛宝石激光器1的重复频率为500Hz，脉宽为50fs，单脉冲能量为4mJ，激光脉冲经焦距为-75mm的凹透镜2和焦距为500mm的凸透镜3，在组合透镜的焦距处聚焦形成飞秒激光光丝，光丝与凸透镜3距离约为5m；成丝过程中，电子吸收光场能量温度迅速上升，并通过非弹性碰撞将部分能量转移给周围的空气分子，导致空气体积快速膨胀，激发出等离子体冲击波，并很快衰变成等离子体声波。
[0031]其次将开孔金属板4平行放置于光丝一侧，第一狭缝位置对准光丝起始位置处，狭缝宽度为1cm，狭缝数为7，狭缝间距分别为3cm、2.5cm、2cm、1.5cm、1cm、0.5cm、光丝与开孔金属板4距离为1cm，然后使用声波测量组件对透过狭缝的声波进行探测。声波测量组件主要由麦克风5、电信号适调仪6、示波器7构成。麦克风5垂直于激光传输方向并对准开孔金属板4的第一狭缝位置放置，麦克风5与光丝距离约为15cm，其可以将探测到的声波信号转换为电信号，电信号适调仪6会在给麦克风供电的同时，将信号进行适度放大，进而由示波器7进行显示和存储。麦克风5为圆柱形，直径约7mm，长度约53mm，探测频率范围4Hz-100kHz。这里电信号适调仪6的放大倍数是100倍。麦克风5、电信号适调仪6、示波器7之间通过同轴电缆连接。
[0032]由于声波测量组件探测到的声信号仅为透过开孔金属板4上的狭缝的声波，其实际为狭缝宽度所对应的同等长度的光丝所激发出的声信号，而不是全部光丝激光的声信号，探测结果如图3所示。
[0033]根据麦克风5与光丝之间的相对距离以及声速即可从图3所示的声学时域波形的起始时间和持续时间计算得出光丝的起始位置和长度等信息。同时波形中的每个峰值的振幅也反映出了每一段光丝的相对强度。声学时域波形起始时间和持续时间的改变对应着光丝起始位置和长度的变化。由此我们得出，本发明可以通过一次简单的测量，准确的实现飞秒激光光丝的空间特征表征。
[0034]尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
[0035]以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。