CN111278205A - 一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，由1550nm和1310nm激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、准直器、衰减器、光电探测器、波分复用器、补偿光纤、PZT位移器和采集控制模块组成。本发明双色激光光纤干涉仪克服了传统单色光纤干涉仪在等离子体密度测量领域只能短时间测量缺点，测量出环境带来的相位漂移并且使用PZT位移器进行补偿，测量时间从一般光纤干涉仪的1毫秒内扩展到10秒以上，整个干涉仪构成简便，光路部分为全光纤结构，易安装且成本可控。

Description

一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪
技术领域
本发明涉及等离子体密度诊断的技术领域，特别涉及一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪。
背景技术
干涉法测量是一种十分成熟的“非入侵式”测量等离子体密度手段。用干涉法测量等离子体密度的装置有很多种，可大致分为两类：空间分辨干涉仪和时间分辨干涉仪。传统的干涉仪主要由光学透镜组组成，新型的干涉仪由光纤器件组成。
虽然光纤干涉仪可以避免传统几何光学透镜组干涉仪带来的昂贵且庞大和搭建不易的问题，但是新的问题也随之产生。自由空间光路被光纤光路代替的同时，会由于光纤被环境参数干扰引入低频的相位漂移。干涉仪测量的是等离子体改变所穿过的激光的相位，相位漂移的引入将会使得等离子体密度测量中存在随时间改变的漂移信号，极大程度地限制光纤干涉仪的应用。
相位漂移主要是由光纤周围环境温度扰动和机械传导震动导致光纤的长短发生改变，因此激光在光纤中传播的距离也发生了改变。这样的改变在相位上是一个低频的漂移信号，在脉冲短时间高密度等离子体(例如等离子体枪)中并不影响测量，可以通过减去低频的平衡量来获得密度波形。但是在其他长时间放电装置，如托克马克装置中等离子体维持时间持续在1～100秒，甚至达到小时量级，低频的漂移直接影响到我们密度信号的测量。
在原有的激光光纤干涉仪上引入双色测量方法，通过PZT位移器抵消由于光纤改变带来的低频漂移量，实现长时间高密度等离子密度的测量。
发明内容
本发明提供一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，主要解决激光光纤干涉仪由于环境条件引起的低频相位漂移导致无法长时间测量等离子体的问题。
本发明采用的技术方案为：一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，由1550nm和1310nm激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、准直器、衰减器、光电探测器、波分复用器、补偿光纤、PZT位移器和采集控制模块组成，1550nm和1310nm激光器分别连接在2×2耦合器输入端，2×2耦合器分光比1:1，两束1550/1310nm混合在一起的光线出射，一路光依次穿过衰减器，准直透镜，等离子体，准直透镜，连接到3×3耦合器的一个输入端，称为信号光，另一束光穿过衰减器，补偿光纤，PZT位移器，连接到3×3耦合器的另一个输入端，称为参考光，当穿过等离子体的信号光和经过补偿的参考光进入3×3耦合器后，在3×3耦合器的输出端连接3个波分复用器，每个波分复用器后连接两个光电探测器，光电探测器后接信号采集模块和PZT控制模块。PZT控制模块与PZT位移器相连，形成反馈控制；
准直透镜是为了使激光在光纤与自由空间之间自由转换，使激光穿过自由空间等离子体，两个衰减器是为了使两束光线进入3×3耦合器的功率大致相等，补偿光纤是使两路光的光程差相等，PZT位移器能够产生μm级别的位移，用于小范围调节光纤长度，波分复用器是将混合在一起的经过干涉后的1310nm与1550nm混合光分开输入光电探测器，光电探测器采用6个InGaAs半导体探测器，用于将光信号转换成电压信号，信号采集模块和PZT控制模块是将电信号采集存储并计算出等离子体密度信号和环境带来的光纤位移，同时控制PZT位移器进行补偿。
进一步地，对采集得到的电压信号进行解析就能得到干涉仪相位差Δφ，进而可以获得等离子体的弦平均密度
Figure BDA0002414495540000021
干涉仪测量到的相位差和弦平均密度满足公式
Figure BDA0002414495540000022
其中λ为入射激光波长，L为激光穿透等离子体厚度，re是电子经典半径为2.82×10-15m，但是相位差实际引入了漂移项，公式变成
Figure BDA0002414495540000023
Figure BDA0002414495540000024
V为光纤长度的改变量，λ1,λ2是两个激光器的使用波长，φ1,φ2即是两个波长对应测量到的相位。
φ1,φ2由光电探测器输出电压信号P1～P6得到，相位差和输出电信号满足：
Figure BDA0002414495540000025
其中，φλ＝1550nm是波长1550nm激光器测得的相位，φλ＝1310nm是波长1310激光器测得的相位，P1,P2,P3是波分复用器1550nm输出连接的三个光电探测器信号，P4,P5,P6是波分复用器1310nm输出连接的三个光电探测器信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本双色激光光纤干涉仪克服了传统单色光纤干涉仪在等离子体密度测量领域只能短时间测量缺点，测量出环境带来的相位漂移并且使用PZT位移器进行补偿，测量时间从一般光纤干涉仪的1毫秒内扩展到10秒以上。
(2)整个干涉仪构成简便，光路部分为全光纤结构，易安装且成本可控。
附图说明
图1为本发明一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪结构原理图；
图2为透镜振动信号波形(秒)。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明了一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，解决了外部环境震动或不稳定气流等环境因素对光纤干涉仪相位漂移产生的影响，提高了全光纤干涉仪在等离子体测量领域的使用范围。整个干涉仪利用市场上SMF-28e是1550/1310nm双窗口的特性，使用两种波长激光源来进行测量。
干涉仪原理如图1所示，采用Mach-Zehnder结构，由2×2耦合器、3×3耦合器、准直器、衰减器、光电探测器、波分复用器、补偿光纤、PZT位移器和采集控制模块组成。1550nm和1310nm激光器分别连接在2×2耦合器输入端，2×2耦合器分光比1:1。两束1550/1310nm混合在一起的光线出射。一路光依次穿过衰减器，准直透镜，等离子体，准直透镜，连接到3×3耦合器的一个输入端，称为信号光。另一束光穿过衰减器，补偿光纤，PZT位移器，连接到3×3耦合器的另一个输入端，称为参考光。当穿过等离子体的信号光和经过补偿的参考光进入3×3耦合器后，在3×3耦合器的输出端连接3个波分复用器，每个波分复用器后连接两个光电探测器。光电探测器后接信号采集模块和PZT控制模块。PZT控制模块与PZT位移器相连，形成反馈控制。
准直透镜是为了使激光在光纤与自由空间之间自由转换，使激光穿过自由空间等离子体。两个衰减器是为了使两束光线进入3×3耦合器的功率大致相等，补偿光纤是使两路光的光程差相等，PZT位移器能够产生μm级别的位移，用于小范围调节光纤长度。波分复用器是将混合在一起的经过干涉后的1310nm与1550nm混合光分开输入光电探测器。光电探测器采用6个InGaAs半导体探测器，用于将光信号转换成电压信号。信号采集模块和PZT控制模块是将电信号采集存储并计算出等离子体密度信号和环境带来的光纤位移，同时控制PZT位移器进行补偿。
对采集得到的电压信号进行解析就能得到干涉仪相位差Δφ，进而可以获得等离子体的弦平均密度
Figure BDA0002414495540000041
一般来说干涉仪测量到的相位差和弦平均密度满足公式
Figure BDA0002414495540000042
其中λ为入射激光波长，L为激光穿透等离子体厚度，re是电子经典半径为2.82×10-15m。但是相位差实际引入了漂移项，公式变成
Figure BDA0002414495540000043
Figure BDA0002414495540000044
V为光纤长度的改变量，λ1,λ2是两个激光器的使用波长，φ1,φ2即是两个波长对应测量到的相位。
φ1,φ2由光电探测器输出电压信号P1～P6得到，相位差和输出电信号满足：
Figure BDA0002414495540000045
其中，φλ＝1550nm是波长1550nm激光器测得的相位，φλ＝1310nm是波长1310激光器测得的相位，P1,P2,P3是波分复用器1550nm输出连接的三个光电探测器信号，P4,P5,P6是波分复用器1310nm输出连接的另外三个光电探测器信号。
测试结果如图2所示。图2给出当等离子体密度为0即没有等离子体放电时双色激光光纤干涉仪得到的两个光纤位移变化图。带三角的线是中心波长1550nm激光器测得的环境带来的漂移，带圆圈的线是1310nm激光器的结果。两个曲线相近表明双色激光光纤干涉仪消除环境漂移的可行性。将测得的光纤位移输入给PZT位移器，使其产生一个相反的位移进行补偿即可实现长时间测量等离子体的目标。
装置使用2×2光纤耦合器，型号为1310/1550-BWC-2×2，装置使用3×3光纤耦合器，型号为1550-SSC-3×3。装置使用的探测器类型为DET01 CFC/M。装置使用的光纤型号FC-APC。装置使用PZT位移器型号PC4FL。装置使用准直器型号PAF2-2C。1550nm激光器型号UNL-1550-50-FC/APC-B-SM。波分复用器型号WD1350A。

Claims (2)

1.一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，其特征在于：由1550nm和1310nm激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、准直器、衰减器、光电探测器、波分复用器、补偿光纤、PZT位移器和采集控制模块组成，1550nm和1310nm激光器分别连接在2×2耦合器输入端，2×2耦合器分光比1:1，两束1550/1310nm混合在一起的光线出射，一路光依次穿过衰减器，准直透镜，等离子体，准直透镜，连接到3×3耦合器的一个输入端，称为信号光，另一束光穿过衰减器，补偿光纤，PZT位移器，连接到3×3耦合器的另一个输入端，称为参考光，当穿过等离子体的信号光和经过补偿的参考光进入3×3耦合器后，在3×3耦合器的输出端连接3个波分复用器，每个波分复用器后连接两个光电探测器，光电探测器后接信号采集模块和PZT控制模块，PZT控制模块与PZT位移器相连，形成反馈控制；
准直透镜是为了使激光在光纤与自由空间之间自由转换，使激光穿过自由空间等离子体，两个衰减器是为了使两束光线进入3×3耦合器的功率大致相等，补偿光纤是使两路光的光程差相等，PZT位移器能够产生μm级别的位移，用于小范围调节光纤长度，波分复用器是将混合在一起的经过干涉后的1310nm与1550nm混合光分开输入光电探测器，光电探测器采用6个InGaAs半导体探测器，用于将光信号转换成电压信号，信号采集模块和PZT控制模块是将电信号采集存储并计算出等离子体密度信号和环境带来的光纤位移，同时控制PZT位移器进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，其特征在于：对采集得到的电压信号进行解析就能得到干涉仪相位差Δφ，进而可以获得等离子体的弦平均密度
Figure FDA0002414495530000011
干涉仪测量到的相位差和弦平均密度满足公式
Figure FDA0002414495530000012
其中λ为入射激光波长，L为激光穿透等离子体厚度，re是电子经典半径为2.82×10-15m，但是相位差实际引入了漂移项，公式变成
Figure FDA0002414495530000013
Figure FDA0002414495530000014
V为光纤长度的改变量，λ1,λ2是两个激光器的使用波长，φ1,φ2即是两个波长对应测量到的相位；
φ1,φ2由光电探测器输出电压信号P1～P6得到，相位差和输出电信号满足：
Figure FDA0002414495530000015
Figure FDA0002414495530000016
其中，φλ＝1550nm是波长1550nm激光器测得的相位，φλ＝1310nm是波长1310激光器测得的相位，P1,P2,P3是波分复用器1550nm输出连接的三个光电探测器信号，P4,P5,P6是波分复用器1310nm输出连接的三个光电探测器信号。
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