CN102129050A - 基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核聚变等离子体诊断，具体涉及一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法和装置。目的是针对极向磁场测量受到的限制，提供一种步骤简单、成本低的等离子体磁场测量方法与装置。具体分为：一、利用激光发射器得到一束光束；二、将光束分为三组干涉光路，同时得到不经过等离子体的参考路差拍信号、等离子体密度差拍信号和等离子体极向场差拍信号；三、利用密度差拍信号与参考路的差拍信号的相位之差得到等离子体的电子密度；四、利用极向场差拍信号与参考路的差拍信号的相位之差得到极向磁场的值。本发明避免了过去振幅信号测量带来的激光功率扰动及环境影响的危害，使测量更加可靠，并能够提高测量精度。

Description

基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法与装置
技术领域
本发明属于核聚变等离子体诊断，具体涉及一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法和装置。
背景技术
在受控核聚变实验研究中，等离子体极向磁场是研究等离子体电子热输运，粒子输运，高约束模式运行以及等离子体剖面控制与运行的最关键的物理参量之一。磁聚变装置的特性是拥有一个强大的环向磁场用来约束和限制等离子体，而本发明需要测量的等离子体极向磁场是一个混杂在同一系统中的与环向磁场小1到2个数量级的小信号，如何精确地测量这种小信号，特别是在复杂的核聚变实验装置中实现这种小信号测量是国际聚变界聚焦的研究热点之一。
目前等离子体极向磁场的测量主要有动态的斯塔克效应和激光偏振干涉测量两种方法。动态的斯塔克效应方法必须借助于高造价的中性束源，目前这种高质量的诊断源成本较高、制造工艺复杂。激光偏振干涉测量依靠的是干涉信号的幅度测量，由于这种方法采用的激光器是电激励的气体放电远红外激光器，因而测量准确性受到激光功率的不稳定性和工作环境的电磁干扰的限制。
发明内容
本发明的目的是针对极向磁场测量受到的限制，提供一种步骤简单、成本低的基于光栅调制相位比较的等离子体磁场测量方法与装置。
本发明的技术方案是：
一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，包括如下步骤：
一、利用激光发射器得到一束光束；
二、将步骤一中的光束分为三组干涉光路，同时得到不经过等离子体的参考路差拍信号
Figure BDA0000040358540000021
等离子体密度差拍信号
Figure BDA0000040358540000022
和等离子体极向场差拍信号
Figure BDA0000040358540000023
三、利用步骤二中密度差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角度φ，根据公式φ＝2.82×10-15λ∫nedz得到等离子体的电子密度的值ne，其中λ为光束的波长；
四、利用步骤二中极向场差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角度ψ，根据公式ψ＝2.62×10-13λ2∫neBzdz，并通过Abel反演计算模拟获得极向磁场Bz的值，其中λ为光束的波长，ne为等离子体的电子密度。
如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其中：所述步骤二中的参考路差拍信号
Figure BDA0000040358540000024
等离子体密度差拍信号
Figure BDA0000040358540000025
和等离子体极向场差拍信号
Figure BDA0000040358540000026
通过下述方式同时得到：
将步骤一中的光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号再和未经过变化的一路信号进行干涉，得到参考路差拍信号
Figure BDA0000040358540000027
将步骤一中的光束分为两路，使一路射入等离子体并按原路射出等离子体，使另一路经过调制变为低频载波信号，再将两路信号进行干涉，得到等离子体密度差拍信号
Figure BDA0000040358540000028
将步骤一中的光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号，再将低频载波信号旋转90度的线偏振光，线偏振光与步骤一中的光束分的另一路相遇形成正交的两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光转化为左旋和右旋偏振光，左旋和右旋偏振光同时射入等离子体并按原路射出等离子体，得到等离子体极向场差拍信号
Figure BDA0000040358540000029
如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其中：所述步骤一中的光束为远红外高斯光束。
如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其中：所述的经调制后的低频载波信号的频率为10kHz～100kHz。
一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括：
一个激光器、激光器发出的光束经分束器、反射镜、闪耀光栅、石英晶片、等离子体和探测器后形成三组干涉光路：
光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅，再将两路光束进行干涉，干涉后的信号由探测器获取；
光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅，另一路射入等离子体并由等离子体内壁反射镜按原路射出等离子体，再将两路光束进行干涉，干涉后的信号由探测器获取；
光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅变为低频载波信号，再将低频载波信号经过第一石英波片成为旋转90度的线偏振光，该线偏振光与另一路相遇形成正交的两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光经过第二石英晶片转化为左旋和右旋偏振光，左旋和右旋偏振光同时射入等离子体一端并按原路射出等离子体，射出的信号由探测器获取。
一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括：一台激光器和等离子体，所述激光器与等离子体一端的连线上依次置有第一分束器、第二分束器、第六分束器和第七分束器，放置方向使光束呈45度角入射和反射；所述激光器与等离子体另一端的连线上依次置有第一反射镜、闪耀光栅、第四分束器、第一石英晶片、第五分束器、第二石英晶片、第八分束器，放置方向使光束呈45度角入射和反射；并且第一反射镜中心与第一分束器中心对应，第二分束器与第四分束器中心对应，第六分束器与第五分束器中心对应，第八分束器与第七分束器中心对应；在第二分束器与第四分束器的中心连线上置有第三分束器，在第七分束器垂直下方与第三分束器的水平连线上置有第二反射镜。
如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其中：所述激光器为电激励HCN分子波导激光器或DCN氰化氘激光器。
如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其中：所述闪耀光栅为柱面旋转光栅，将激光束调制为低频载波信号。
如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其中：所述第一石英波片为1/2玻片，第二石英波片为1/4玻片。
如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其中：所述等离子体为上下对称的等离子体。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过构成三组干涉光路得到不经过等离子体的参考路差拍信号、等离子体密度差拍信号、和等离子体极向场差拍信号，通过相位比较可以有效得到等离子体极向磁场小信号，避免了过去振幅信号测量带来的激光功率扰动及环境影响的危害，使测量更加可靠和可行。
2.本发明通过利用光栅得到低频调制信号，可以简化测量装置的结构并减少成本，并使探测器有效接收。
3.本发明通过石英晶片将线偏振的激光信号转变为左旋和右旋圆偏振的信号进而得到含有等离子体极向磁场的信息，使低噪声探测器可以有效接收带有极向场信息的差拍信号；并且由于采用左旋和右旋圆偏振光同时进入等离子体并两次通过等离子体，系统受装置的振动影响将消除，测量系统的测量精度将提高一倍。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量系统框图；
图中：1.激光器，2.第一分束器，3.第一反射镜，4.闪耀光栅，5.第二分束器，6.第三分束器，7.第四分束器，8.第一石英晶片，9.参考路探测器，10.第五分束器，11.第六分束器，12.密度信号探测器，13.第七分束器，14.第二反射镜，15.第八分束器，16.第二石英晶片，17.极向场探测器，18.等离子体。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明提出的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量系统进行进一步的介绍：
一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，包括如下步骤：
一、利用激光器得到一束光束，该束光通常为远红外高斯光束；
二、将步骤一中的光束分为三组干涉光路，同时得到不经过等离子体的参考路差拍信号等离子体密度差拍信号
Figure BDA0000040358540000052
和等离子体极向场差拍信号
Figure BDA0000040358540000053
具体分为如下步骤：
(一)将步骤一中的远红外高斯光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号与未经过变化的另一路信号进行干涉，得到参考路差拍信号
Figure BDA0000040358540000054
(二)将步骤一中的远红外高斯光束分为两路，使一路射入等离子体并按原路射出等离子体，使另一路经过调制变为低频载波信号，再将两路信号进行干涉，得到等离子体密度差拍信号
Figure BDA0000040358540000055
(三)将步骤一中的远红外高斯光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号，再将低频载波信号旋转90度的线偏振光，该线偏振光与步骤一中的远红外高斯光束分的另一路相遇形成正交的两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光转化为左旋和右旋偏振光，左旋和右旋偏振光同时射入等离子体并按原路射出等离子体，得到等离子体极向场差拍信号
Figure BDA0000040358540000056
三、利用步骤二中密度差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角度φ，根据公式φ＝2.82×10-15λ∫nedz得到等离子体的电子密度的值ne，其中λ为远红外高斯光束的波长。
四、利用步骤二中极向场差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角度ψ，根据公式ψ＝2.62×10-13λ2∫neBzdz，并通过Abel反演计算模拟获得极向磁场Bz的值，其中λ为远红外高斯光束的波长，ne为等离子体的电子密度。
如图1所示，一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括：
一个激光器1：可采用能够连续输出的电激励HCN分子波导激光器，输出波长为337微米，或使用DCN氰化氘激光器；激光器发出的光束为远红外高斯光束；
一个上下对称结构的等离子体18，
所述激光器1与等离子体18一端A的连线上依次置有第一分束器2、第二分束器5、第六分束器11和第七分束器13，放置方向使光束呈45度角入射和反射；所述激光器与等离子体另一端B的连线上依次置有第一反射镜3、闪耀光栅4、第四分束器7、第一石英晶片8、第五分束器10、第二石英晶片16、第八分束器15，放置方向使光束呈45度角入射和反射；并且第一反射镜3中心与第一分束器2中心对应，第二分束器5与第四分束器7中心对应，第六分束器11与第五分束器10中心对应，第八分束器15与第七分束器13中心对应；在第二分束器5与第四分束器7的中心连线上置有第三分束器6，在第七分束器13垂直下方与第三分束器6的水平连线上置有第二反射镜14。
光路的路径如下：激光器1发出的光束经第一分束器2透射和反射为主光束和副光束，副光束经第一反射镜3反射后进入闪耀光栅4得到载波信号，该闪耀光栅4为柱面旋转光栅，可将连续的激光调制为10kHz～100kHz的载波信号；载波信号依次经第四分束器7反射、第三分束器6、第二分束器5透射与经过第二分束器5反射的主光束干涉，干涉后信号由参考路探测器9接收；
主光束经过第二分束器5透射后由第六分束器11透射和反射为密度测量束和极向磁场测量束，密度测量束经第七分束器13透射后射入等离子体18上部，经等离子体18内壁反射镜将信号反射回第七分束器13并反射；调制束在第四分束器7经反射后，再经第二反射镜14反射、第七分束器13透射与经第七分束器13反射的密度测量束干涉，干涉后信号由密度信号探测器12接收；
经第四分束器7透射后的调制束经过第一石英晶片8转变为旋转90度的线偏振光，并由第五分束器10透射；极向磁场测量束经第六分束器11反射后与旋转90度的线偏振光相遇形成正交的两束线偏振光，正交的两束线偏振光经过第二石英晶片16转化为左旋和右旋圆偏振光，左旋和右旋圆偏振光射入等离子体18下部，经等离子体18内壁反射镜将信号反射回第八分束器15并反射，反射后由极向场探测器17接收；其中等离子体18的上部和下部为对称结构，即A、B端为对称的；所述探测器均应选择低噪声探测器。
本发明的工作原理为：
石英晶片可以根据测量原理将线偏振的激光信号转变为左旋和右旋圆偏振的信号。由于左旋和右旋圆偏振光通过等离子体的色散关系不同，其折射率的差值含有等离子体极向磁场的信息。而这种差别可以通过测量路与参考路的差拍信号的相位之减获得。低噪声探测器可以接收带有极向场信息的差拍信号。
这两束光共线进入等离子体。由于其折射率的差含有极向场的信息，且这个信息表现在差拍信号的相位中，通过测量路与参考路的相位比较就可获得所要的信息。这种测量方法避免了过去振幅信号测量带来的激光功率扰动及环境影响的危害，使测量更加可靠和可行。另外由于采用左旋和右旋圆偏振光同时进入等离子体并两次通过等离子体，系统受装置的振动影响将消除，测量系统的测量精度将提高一倍。

Claims (10)

1.一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，包括如下步骤：
步骤一、利用激光发射器得到一束光束；
步骤二、将步骤一中的光束分为三组干涉光路，同时得到不经过等离子体的参考路差拍信号 
Figure DEST_PATH_FDA0000047034280000011
等离子体密度差拍信号 
Figure DEST_PATH_FDA0000047034280000012
和等离子体极向场差拍信号 
Figure DEST_PATH_FDA0000047034280000013
步骤三、利用步骤二中密度差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角度φ，根据公式φ＝2.82×10-15λ∫nedz得到等离子体的电子密度的值ne，其中λ为光束的波长；
步骤四、利用步骤二中极向场差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角度ψ，根据公式ψ＝2.62×10-13λ2∫neBzdz，并通过Abel反演计算模拟获得极向磁场Bz的值，其中λ为光束的波长，ne为等离子体的电子密度。
2.如权利要求1所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其特征在于：所述步骤二中的参考路差拍信号 
Figure DEST_PATH_FDA0000047034280000014
等离子体密度差拍信号 和等离子体极向场差拍信号 通过下述方式同时得到：
将步骤一中的光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号再和未经过变化的一路信号进行干涉，得到参考路差拍信号 
Figure DEST_PATH_FDA0000047034280000017
将步骤一中的光束分为两路，使一路射入等离子体并按原路射出 等离子体，使另一路经过调制变为低频载波信号，再将两路信号进行干涉，得到等离子体密度差拍信号 
将步骤一中的光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号，再将低频载波信号旋转90度的线偏振光，线偏振光与步骤一中的光束分的另一路相遇形成正交的两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光转化为左旋和右旋偏振光，左旋和右旋偏振光同时射入等离子体并按原路射出等离子体，得到等离子体极向场差拍信号 
3.如权利要求1所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其特征在于：所述步骤一中的光束为远红外高斯光束。
4.如权利要求2所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其特征在于：所述的经调制后的低频载波信号的频率为10kHz～100kHz。
5.一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括：
一个激光器、激光器发出的光束经分束器、反射镜、闪耀光栅、石英晶片、等离子体和探测器后形成三组干涉光路：
光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅，再将两路光束进行干涉，干涉后的信号由探测器获取；
光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅，另一路射入等离子体并由等离子体内壁反射镜按原路射出等离子体，再将两路光束进行干涉，干涉后的信号由探测器获取；
光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅变为低频载波 信号，再将低频载波信号经过第一石英波片成为旋转90度的线偏振光，该线偏振光与另一路相遇形成正交的两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光经过第二石英晶片转化为左旋和右旋偏振光，左旋和右旋偏振光同时射入等离子体一端并按原路射出等离子体，射出的信号由探测器获取。
6.一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括：一台激光器和等离子体，所述激光器(1)与等离子体(18)一端的连线上依次置有第一分束器(2)、第二分束器(5)、第六分束器(11)和第七分束器(13)，放置方向使光束呈45度角入射和反射；所述激光器与等离子体另一端的连线上依次置有第一反射镜(3)、闪耀光栅(4)、第四分束器(7)、第一石英晶片(8)、第五分束器(10)、第二石英晶片(16)、第八分束器(15)，放置方向使光束呈45度角入射和反射；并且第一反射镜(3)中心与第一分束器(2)中心对应，第二分束器(5)与第四分束器(7)中心对应，第六分束器(11)与第五分束器(10)中心对应，第八分束器(15)与第七分束器(13)中心对应；在第二分束器(5)与第四分束器(7)的中心连线上置有第三分束器(6)，在第七分束器(13)垂直下方与第三分束器(6)的水平连线上置有第二反射镜(14)。
7.如权利要求5或6所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其特征在于：所述激光器为电激励HCN分子波导激光器或DCN氰化氘激光器。
8.如权利要求5或6所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体 磁场测量装置，其特征在于：所述闪耀光栅为柱面旋转光栅，将激光束调制为低频载波信号。
9.如权利要求5或6所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其特征在于：所述第一石英波片为1/2玻片，第二石英波片为1/4玻片。
10.如权利要求5或6所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其特征在于：所述等离子体为上下对称的等离子体。 
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