激光诱导荧光诊断的波长标定方法研究

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激光诱导荧光作为一种非侵入式的诊断技术,在等离子体物理研究中有广泛的应用。该诊断技术通过激光扫频得到的粒子速度分布函数计算其速度和温度。由于单次扫频得到的速度分布函数信噪比较差,计算得到的温度将严重偏离真实值,通常采用平均多次扫频得到的速度分布函数以提高精度。激光器在长时间运行时会发生温度漂移,实际输出的波长范围将偏离设定值。为准确平均速度分布函数,需要对每次扫频激光器实际输出的波长范围进行标定。本研究发展了基于碘分子吸收光谱的波长标定技术,通过对齐不同次扫频同步得到的碘分子光谱确定相同的波长区间。为探究高效高精度的光谱对齐算法,分别利用最小化均方误差法、误差梯度下降算法和卷积神经网络对齐了随机生成的模拟碘分子吸收光谱,前两者使用CPU求解,卷积神经网络使用GPU求解。在采样步长为2.734 MHz的测试数据集上的结果显示:最小化均方误差法具有最低的对齐误差,为8.7 MHz;卷积神经网络的对齐误差为9.1 MHz,精度与最小均方误差法相当,并且其求解速度是最小均方误差法的近10倍,一对光谱对齐仅需0.35 ms;误差梯度下降算法可以对最小均方误差法产生3倍的加速效果,但该方法对齐误差比前两者都大约25%。为在实验中验证基于本研究发展的算法利用碘分子光谱标定波长的有效性,在没有对碘池以及法布里—珀罗干涉仪精确恒温控制的条件下开展了激光诱导荧光实验。使用最小均方误差法对齐了激光诱导荧光实验中不同次扫频得到的碘分子光谱,得到不同次扫频的相同波长区间,利用该结果平均了同步得到的Ar+速度分布函数,求得Ar+的温度为0.0693 eV。标定偏差越大,由平均速度分布函数得到的温度假高越严重。与基于法布里—珀罗干涉仪标定的结果0.0776 eV相比,通过碘分子光谱标定得到的温度更低,表明该标定技术是有效的,并且在无精确恒温控制时,相较于法布里—珀罗干涉仪更加可靠。
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