CN111258010B - 一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置及方法，所述装置包括：用于发出激光束的激光光源、信号收集透镜组、光纤阵列、信号传输光纤束、光栅光谱仪及二维探测器；所述信号传输光纤束经分束整理并由不锈钢外壳固定后形成固定次序排列的所述光纤阵列；所述光纤束上下逐个排列在光纤支架上；所述的光纤阵列的各个光纤接收端分别接收经收集透镜组成像收集的激光汤姆逊散射信号，所述的信号传输光纤束的另一端耦合输入光栅光谱仪及二维探测器。本发明结构简单并且几乎不增加造价成本，通用性好，和原系统完全相容，不需要单独的数据采集系统。本发明可提高汤姆逊散射系统的数据测量精度，且不影响原系统的空间分辨率等。

Description

一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光散射诊断技术领域，尤其涉及一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法及装置。

背景技术

激光汤姆逊散射诊断可同时、同区域精确测量电子温度和密度数据，是公认的电子温度和密度分布测量的最精确手段。

目前汤姆逊散射诊断被广泛应用于世界各地的托卡马克和仿星器等磁约束核聚变装置上，典型的有欧洲的JET、美国的DIII-D、日本的LHD和中国的EAST。在国际磁约束核聚变实验堆ITER上也是把汤姆逊散射诊断作为最重要的诊断技术以获得等离子体电子温度和密度数据。由于激光汤姆逊散射信号很弱(单个脉冲只有成百上千个散射光子)、脉冲时间很短，所以对其散射信号的充分收集和利用至关重要。激光脉冲经过激光器到聚变装置真空室的长距离传输，其激光器指向性漂移在测量区变大，加上收集透镜及光纤支架本身的形变，存在光束偏移和散射信号部分或全部移出光纤束接收端面的可能，使接收到的散射信号变弱，造成电子密度测量值比真实值偏低，带来系统误差。

现在主要有两种方式用来核对散射信号经收集透镜后的光斑和光纤接收端面是否完全重合，一种方法是利用可见光和靶板相结合，首先调节并保证可见光和1064nm高能量脉冲激光光路重合，然后通过在散射区特定位置安置靶板，利用同轴、可见指示光打击到靶板的漫反射来模拟汤姆逊散射信号。通过人工识别判断散射信号光斑是否完全进入信号接收光纤。然而这种方法既不够稳定、精确，也不能在脉冲激光散射时刻获得同步监测数据。另一种方法是利用多根光纤布置在光钎支架上并把散射信号引入谱仪和信号探测器，通过探测器获得的数据分析判断散射信号光斑是否完全进入光纤束接收端面，但是这种方法要以损失系统的空间分辨率、降低系统性能为代价，并且额外需要多个谱仪及探测器设备，造价昂贵。此外，每个探测器的灵敏度和每个干涉滤光片的通带波长均不同，不适宜进行弱信号的精确对比。综上所述，以上方法均存在缺点或不足。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法及装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置：

包括用于发出激光束的激光光源、信号收集透镜组、光纤阵列、信号传输光纤束、光栅光谱仪及二维探测器；

所述信号传输光纤束经分束整理并由不锈钢外壳固定后形成固定次序排列的所述光纤阵列；

所述光纤束上下逐个排列在光纤支架上，所述光纤束的光纤端面分为第一端面和第二端面两种类型，第一端面和第二端面均为矩形端面，且第一端面和第二端面高度相同，第一端面的宽度是第二端面的一半；

所述的光纤阵列的各个光纤接收端分别接收经收集透镜组成像收集的激光汤姆逊散射信号，所述的信号传输光纤束的另一端耦合输入光栅光谱仪及二维探测器。

进一步的，所述的光纤阵列的各个端面平整，所述的矩形端面中有四个端面的类型是第一端面，其余端面类型为第二端面，上述四个端面分为两组，每组两个端面上下相邻排列，且所述上下相邻排列的两个端面分布在端面中轴线左右各一个。

进一步的，所述的用于发出激光束的激光光源为强脉冲激光光源，脉冲强度大于3焦耳。

进一步的，信号收集透镜组是大口径信号收集透镜，口径尺寸大于20厘米。

进一步的，有机械机构连接远程控制系统，实现光纤阵列的空间位置和角度精确调节。

进一步的，信号传输光纤束信号输出端的光纤端面排列方式为：每束光纤的上下排列顺序和所述光纤阵列各光纤对应关系不变，即光纤阵列接收端的第一端面对应光纤束信号输出端的第一输出端面，光纤阵列接收端的第二端面对应光纤束信号输出端的第二输出端面；所述光纤阵列接收端的第一端面与光纤束信号输出端的第一输出端面的形状相同，所述光纤阵列接收端的第二端面与光纤束信号输出端的第二输出端面的形状相同，且光纤束信号输出端各第一、第二输出端面作90度旋转后依次上下紧密排列，由光栅光谱仪的二维探测器接收并测量二维散射谱信号。

进一步的，所述的光纤阵列设于三维光纤支架上，三维光纤支架与精密步进电机连接，所述的步进电机与控制系统连接。

本发明还提出一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法，包括如下步骤：

步骤1、激光汤姆逊散射信号经透镜组分别入射至光纤阵列的接收端面，并经过信号传输光纤束的传输后耦合进入光栅光谱仪及二维探测器；

步骤2、数据采集系统对每束光纤的信号采集并进行数据处理；

步骤3、对四束第一输出端面的光纤的散射信号强度经计算对比，得出线性激光束经透镜组成像后和光纤阵列的平行度和偏移量；根据偏移量数据，控制系统通过调节光纤阵列支架的空间位置和角度，实现偏移量的消除。

进一步的，基于光纤阵列端面宽度为d的高传输效率光纤束来传输散射信号，两点确定一条直线，对于每一点而言，激光束经收集透镜组成像后完全被光纤阵列端面接收的条件是

其中s1和s2为一组上下相邻的第一输出端面的两束光纤获得的有效散射信号强度；d为光纤阵列的光纤端面宽度；w是激光束经收集透镜组成像在接收光纤端面处的宽度，其中w<d。

本发明的关键就是通过巧妙设计并布局光纤端面的形状和位置，把上下相邻位置(一组)、同一时刻的激光汤姆逊散射信号部分接受并传输耦合至光栅光谱仪和探测器。上下相邻位置信号强度的比值用于分析散射信号成像和光纤接收端面的相对位置及偏移量。

本发明的优点是：

本发明具有原理简单、系统兼容性强和数据精度高的特点，可用于提高激光散射系统的信噪比，改善系统的密度测量数据，提高诊断数据的精度和可信度；本发明几乎不改变原有系统构成，造价成本低。本发明方法使用集成度较高的光栅光谱仪，选取同一个激光脉冲、相邻空间位置的散射信号数据直接对比，准确度高；本发明与原系统的电子温度和密度测量相兼容，且不影响原系统的时空分辨率。

附图说明

图1为本发明系统主要结构示意图；

图2为信号传输光纤束输入端面布局示意图；

图3为信号传输光纤束输出端面布局示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提出一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置，包括作为光源的激光束1、信号收集透镜组2、光纤阵列3、信号传输光纤束4和光栅光谱仪及二维探测器5。信号传输光纤束4经分束整理并由不锈钢外壳固定后形成固定次序排列的光纤阵列3。

如图2所示，光纤束上下逐个排列在光纤支架上，光纤端面分为第一端面6和第二端面7两种类型，第一端面6和第二端面7两种类型均为矩形端面，其中第一端面6和第二端面7高度相同，第一端面6宽度是第二端面7的一半。所述的光纤阵列3的各个光纤接收端分别接收经收集透镜组2成像收集的激光汤姆逊散射信号，所述的光纤阵列的各个端面平整，优选的数量可以为10个，所述的矩形端面中有四个端面的类型是第一端面，其余六个端面类型为第二端面，上述四个端面分为两组，每组两个端面上下相邻排列，且所述上下两个端面分布在端面中轴线左右各一个。所述的信号传输光纤束4的信号输出端耦合输入光栅光谱仪。

所述的激光束1为强脉冲激光光源，脉冲强度大于3焦耳。信号收集透镜组2是大口径信号收集透镜，口径尺寸大于20厘米，可部分或全部消除像差和色差。所述的光纤阵列3其输入端面如图2所示，其机械机构连接远程控制系统，可实现光纤阵列3的空间位置和角度精确调节。信号传输光纤束4所有光纤束长度相同，对500-1100nm散射信号波段无吸收，其信号输出端(耦合光栅光谱仪的一端)的光纤端面排列如图3所示，每束光纤的上下排列顺序和对应关系不变，信号传输光纤束信号输出端的光纤端面排列方式为：每束光纤的上下排列顺序和所述光纤阵列各光纤对应关系不变，即光纤阵列接收端的第一端面对应光纤束信号输出端的第一输出端面，光纤阵列接收端的第二端面对应光纤束信号输出端的第二输出端面；所述光纤阵列接收端第一端面与光纤束信号输出端的第一输出端面的形状相同，所述光纤阵列接收的第二端面与光纤束信号输出端的第二输出端面的形状相同，且光纤束信号输出端各第一、第二输出端面作90度旋转后依次上下紧密排列，由光栅光谱仪的二维探测器接收并测量二维散射谱信号。图2中的输入第一端面6对应图3中的第一输出端面8，图2中的输入第二端面7对应图3中的第二输出端面9。为了保证散射信号进入光谱仪前在输出端面上左右居中，各第一、第二输出端面作90度旋转后上下紧密排列，如图3所示。

根据一个实施例，本发明提出一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法，激光汤姆逊散射信号经透镜组2分别入射至光纤阵列3的端面，并经过信号传输光纤束4的传输后耦合进入光栅光谱仪及二维探测器5。数据采集系统对每束光纤的信号采集并进行数据处理。对四束第一输出端面的光纤(比如端面6对应的光纤)传输的散射信号强度经计算对比，得出线性激光束1经透镜组2成像后和光纤阵列3的平行度和偏移量。根据偏移量数据，控制系统通过调节光纤阵列支架的位置，实现偏移量的消除，提高汤姆逊散射诊断系统的测量精度。

本发明方法基于光纤阵列3端面宽度为d的高传输效率光纤束来传输散射信号，因为两点确定一条直线，对于每一点而言，激光束1经收集透镜组2成像后完全被光纤阵列3端面接收的条件是

其中s1和s2为一组上下相邻的第一输出端面的两束光纤获得的有效散射信号强度；d为光纤阵列3的光纤端面宽度；w是激光束1经收集透镜组2成像在接收光纤端面处的宽度(w<d)。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置，其特征在于，包括：

用于发出激光束的激光光源、信号收集透镜组、光纤阵列、信号传输光纤束、光栅光谱仪及二维探测器；

所述信号传输光纤束经分束整理并由不锈钢外壳固定后形成固定次序排列的所述光纤阵列；

所述光纤束上下逐个排列在光纤支架上，每束光纤束的端面分为第一端面和第二端面两种类型，第一端面和第二端面均为矩形端面，且第一端面和第二端面高度相同，第一端面的宽度是第二端面的一半；

所述的光纤阵列的各个光纤接收端分别接收经收集透镜组成像收集的激光汤姆逊散射信号，所述的信号传输光纤束的另一端耦合输入光栅光谱仪及二维探测器。

2.根据权利要求1所述的一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置，其特征在于：

所述的光纤阵列的各个端面平整，所述的矩形端面中有四个端面的类型是第一端面，其余端面类型为第二端面，上述四个端面分为两组，每组两个端面上下相邻排列，且所述上下相邻排列的两个端面分布在端面中轴线左右各一个。

3.根据权利要求1所述的一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置，其特征在于：

所述的用于发出激光束的激光光源为强脉冲激光光源，脉冲强度大于3焦耳。

4.根据权利要求1所述的一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置，其特征在于：

信号收集透镜组是大口径信号收集透镜，口径尺寸大于20厘米。

5.根据权利要求1所述的一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置，其特征在于：

有机械机构连接远程控制系统，实现光纤阵列的空间位置和角度精确调节。

6.根据权利要求1所述的一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置，其特征在于：

信号传输光纤束信号输出端的光纤端面排列方式为：每束光纤的上下排列顺序和所述光纤阵列各光纤对应关系不变，即光纤阵列接收端的第一端面对应光纤束信号输出端的第一输出端面，光纤阵列接收端的第二端面对应光纤束信号输出端的第二输出端面；所述光纤阵列接收端的第一端面与光纤束信号输出端的第一输出端面的形状相同，所述光纤阵列接收端的第二端面与光纤束信号输出端的第二输出端面的形状相同，且光纤束信号输出端各第一、第二输出端面作90度旋转后依次上下紧密排列，由光栅光谱仪的二维探测器接收并测量二维散射谱信号。

7.根据权利要求1所述的一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置，其特征在于：所述的光纤阵列设于三维光纤支架上，三维光纤支架与精密步进电机连接，所述的步进电机与控制系统连接。

8.一种利用权利要求1的装置精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、激光汤姆逊散射信号经透镜组分别入射至光纤阵列的接收端面，并经过信号传输光纤束的传输后耦合进入光栅光谱仪及二维探测器；

步骤2、数据采集系统对每束光纤的信号采集并进行数据处理；

步骤3、对四束第一输出端面的光纤的散射信号强度经计算对比，得出线性激光束经透镜组成像后和光纤阵列的平行度和偏移量；根据偏移量数据，控制系统通过调节光纤阵列支架的空间位置和角度，实现偏移量的消除。

9.根据权利要求8所述的精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法，其特征在于，包括如下方法：

基于光纤阵列端面宽度为d的高传输效率光纤束来传输散射信号，两点确定一条直线，对于每一点而言，激光束经收集透镜组成像后完全被光纤阵列端面接收的条件是

其中s1和s2为一组上下相邻的第一输出端面的两束光纤获得的有效散射信号强度；d为光纤阵列的光纤端面宽度；w是激光束经收集透镜组成像在接收光纤端面处的宽度，其中w<d。

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