CN112097906A - 一种应用三光栅光谱仪的ts-talif等离子体诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用三光栅光谱仪的TS‑TALIF等离子体诊断系统，包括光源单元、反射镜、聚焦透镜、等离子体装置、吸食器、收集透镜、光纤架、光纤、光谱仪、CCD探测器以及电脑，具有节约窗口、成本更低、维护更方便的优点，解决了两套诊断系统成本更高、维护更麻烦、占用更多窗口的问题。
Description
技术领域
本发明涉及激激光测量技术领域，具体的说涉及一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统。
背景技术
激光测量广泛应用于各个领域。例如，在等离子体诊断中，常常使用汤姆逊散射(TS)诊断电子的温度或密度，或者使用双光子激发荧光(TALIF)来测量中性粒子的密度、速度分布，具有测量精度高、非接触式测量等优点。
但是，在实际中，等离子体装置的窗口往往体积较小，不能安装过多的诊断系统。同时，激光测量又能测量电子的温度或密度以及中性粒子的密度和速度分布。如果搭建两套系统，成本又会大大的增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，用以克服上述问题，具有节约窗口、成本更低、维护更方便的优点，解决了两套诊断系统成本更高、维护更麻烦、占用更多窗口的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，包括光源单元、反射镜、聚焦透镜，等离子体装置、吸食器、收集透镜、光纤架、光纤、光谱仪、CCD探测器以及电脑，
所述光源单元包括Nd：YAG激光器，染料激光器，电控反射镜、反射镜、KDP晶体、BBO晶体，所述电控反射镜在电脑的控制下能将Nd：YAG激光器产生的532nm的激光直接反射向等离子体装置或反射向反射镜，再进入染料激光器，染料激光器产生615nm的激光先后通过KDP晶体以及BBO晶体并合频产生205nm激光，再经过反射镜进入等离子体装置；
所述等离子体装置用于在内部产生等离子体，设置有用于激光穿越的光路窗口以及观察等离子体装置内部的观察窗，光路窗口的透过波长包括205nm；
所述收集透镜的物面设置在所述205nm和532nm激光的光路上，像面设置在所述光纤的光纤孔上，光纤通过光纤架固定；
所述光纤的另一端与光谱仪连接；
所述光谱仪为三光栅光谱仪，包括狭缝、两个消色差准直透镜、两个衍射光栅、两个聚焦透镜、挡板、狭缝、准直透镜、分光光栅以及聚焦透镜，狭缝对准光纤的光纤孔，消色差准直透镜将狭缝进入的光准直后再投射到衍射光栅上进行色散分光，分光后的光被聚焦透镜聚焦，挡板设置在聚焦透镜以及聚焦透镜的焦平面上，第二个消色差准直透镜将挡板过滤后光束准直到第二个衍射光栅上，第二个衍射光栅将色散后后光束复合后再由第二块聚焦透镜聚焦至狭缝，准直透镜将狭缝透过的光准直到分光光栅上，光束经分光后再由聚焦透镜聚焦到CCD探测器上；
所述CCD探测器设置在聚焦透镜的焦平面上。
进一步的，所述Nd：YAG激光器产生的激光能量大于3J，染料激光器的激光能量大于1J。
进一步的，所述KDP晶体的e光与光轴夹角θ为71.4°，入射光与晶体夹角φ为90°；所述BBO晶体的θ角为71.4°，φ为90°。
进一步的，所述CCD探测器为ICCD探测器或者EMCCD探测，探测波长包括300nm-900nm。
进一步的，观察窗的透过玻璃的透过率大于95％，透过波长包括300nm-900nm。
进一步的，所述光纤的透过率大于90％，波长包括300-900nm。
进一步的，所述两个衍射光栅和分光光栅的刻画线数量为720-2400。
进一步的，所述CCD探测器采集的TS信号的门宽时间为8ns，采集TALIF信号的门宽时间为50ns。
进一步的，所述挡板表面做涂黑处理，宽度小于3cm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有结构简单、设计合理、安装维护快捷的优点；
(2)本发明将传统的TS诊断系统和TALIF系统结合到一起，能有效降低成本、减少维护成本、节约诊断窗口。
(3)本发明采用三光栅光谱仪，能有效滤除信号中的杂散光，大大的提高信噪比，提高测量结果的精准度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明光路结构示意图；
图3是本发明等离子体装置的结构示意图；
图4是本发明光纤架结构示意图；
图5是本发明三光栅光谱仪的结构示意图。
图中，1-光源单元；2-反射镜；3-聚焦透镜；4-等离子体装置；5-吸食器；6-收集透镜；7-光纤架；8-光纤；9-光谱仪；10-CCD探测器；11-电脑；12-Nd：YAG激光器；13-染料激光器；14-电控反射镜；15-反射镜；16-KDP晶体；17-BBO晶体；18-光路窗口；19-观察窗；20-光纤孔；21-消色差准直透镜；22-衍射光栅；23-聚焦透镜；24-挡板；25-狭缝；26-准直透镜；27-分光光栅；28-聚焦透镜；29-狭缝。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，图1是本发明的结构示意图；图2是本发明光路结构示意图；图3是本发明等离子体装置的结构示意图；图4是本发明光纤架结构示意图；图5是本发明三光栅光谱仪的结构示意图。
请参阅图1-图5所示，一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，包括光源单元1、反射镜2、聚焦透镜3，等离子体装置4、吸食器5、收集透镜6、光纤架7、光纤8、光谱仪9、CCD探测器10以及电脑11，
所述光源单元1包括Nd：YAG激光器12，染料激光器13，电控反射镜14、反射镜15、KDP晶体16、BBO晶体17，所述电控反射镜14在电脑11的控制下能将Nd：YAG激光器12产生的532nm的激光直接反射向等离子体装置4或反射向反射镜15，再进入染料激光器13，染料激光器13产生615nm的激光先后通过KDP晶体16以及BBO晶体17并合频产生205nm激光，再经过反射镜进入等离子体装置4；
所述等离子体装置4用于在内部产生等离子体，设置有用于激光穿越的光路窗口18以及观察等离子体装置4内部的观察窗19，光路窗口18的透过波长包括205nm；
所述收集透镜6的物面设置在所述205nm和532nm激光的光路上，像面设置在所述光纤8的光纤孔20上，光纤8通过光纤架7固定；
所述光纤8的另一端与光谱仪9连接；
所述光谱仪9为三光栅光谱仪，包括狭缝29、两个消色差准直透镜21、两个衍射光栅22、两个聚焦透镜23、挡板24、狭缝25、准直透镜26、分光光栅27以及聚焦透镜28，狭缝29对准光纤8的光纤孔20，消色差准直透镜21将狭缝29进入的光准直后再投射到衍射光栅22上进行色散分光，分光后的光被聚焦透镜23聚焦，挡板24设置在聚焦透镜23以及聚焦透镜23的焦平面上，第二个消色差准直透镜21将挡板24过滤后光束准直到第二个衍射光栅22上，第二个衍射光栅22将色散后后光束复合后再由第二块聚焦透镜23聚焦至狭缝25，准直透镜26将狭缝透过的光准直到分光光栅27上，光束经分光后再由聚焦透镜28聚焦到CCD探测器10上；
所述CCD探测器10设置在聚焦透镜28的焦平面上。
所述Nd：YAG激光器12产生的激光能量大于3J，染料激光器13的激光能量大于1J。
所述KDP晶体16的e光与光轴夹角θ为71.4°，入射光与晶体夹角φ为90°；所述BBO晶体17的θ角为71.4°，φ为90°。
所述CCD探测器10为ICCD探测器，像增强器为第三代像增强器，探测波长包括300nm-900nm。
观察窗19的透过玻璃的透过率大于95％，透过波长包括300nm-900nm。
所述光纤8的透过率大于90％，波长包括300-900nm。
所述两个衍射光栅22的刻画线数量为720，分光光栅27的刻画线数量为2400。
所述CCD探测器10采集的TS信号的门宽时间为8ns，采集TALIF信号的门宽时间为50ns。
所述挡板24表面做涂黑处理，宽度为1mm。
实施例2，图1是本发明的结构示意图；图2是本发明光路结构示意图；图3是本发明等离子体装置的结构示意图；图4是本发明光纤架结构示意图；图5是本发明三光栅光谱仪的结构示意图。
请参阅图1-图5所示，一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，包括光源单元1、反射镜2、聚焦透镜3，等离子体装置4、吸食器5、收集透镜6、光纤架7、光纤8、光谱仪9、CCD探测器10以及电脑11，
所述光源单元1包括Nd：YAG激光器12，染料激光器13，电控反射镜14、反射镜15、KDP晶体16、BBO晶体17，所述电控反射镜14在电脑11的控制下能将Nd：YAG激光器12产生的532nm的激光直接反射向等离子体装置4或反射向反射镜15，再进入染料激光器13，染料激光器13产生615nm的激光先后通过KDP晶体16以及BBO晶体17并合频产生205nm激光，再经过反射镜进入等离子体装置4；
所述等离子体装置4用于在内部产生等离子体，设置有用于激光穿越的光路窗口18以及观察等离子体装置4内部的观察窗19，光路窗口18的透过波长包括205nm；
所述收集透镜6的物面设置在所述205nm和532nm激光的光路上，像面设置在所述光纤8的光纤孔20上，光纤8通过光纤架7固定；
所述光纤8的另一端与光谱仪9连接；
所述光谱仪9为三光栅光谱仪，包括狭缝29、两个消色差准直透镜21、两个衍射光栅22、两个聚焦透镜23、挡板24、狭缝25、准直透镜26、分光光栅27以及聚焦透镜28，狭缝29对准光纤8的光纤孔20，消色差准直透镜21将狭缝29进入的光准直后再投射到衍射光栅22上进行色散分光，分光后的光被聚焦透镜23聚焦，挡板24设置在聚焦透镜23以及聚焦透镜23的焦平面上，第二个消色差准直透镜21将挡板24过滤后光束准直到第二个衍射光栅22上，第二个衍射光栅22将色散后后光束复合后再由第二块聚焦透镜23聚焦至狭缝25，准直透镜26将狭缝透过的光准直到分光光栅27上，光束经分光后再由聚焦透镜28聚焦到CCD探测器10上；
所述CCD探测器10设置在聚焦透镜28的焦平面上。
所述Nd：YAG激光器12产生的激光能量大于3J，染料激光器13的激光能量大于1J。
所述KDP晶体16的e光与光轴夹角θ为71.4°，入射光与晶体夹角φ为90°；所述BBO晶体17的θ角为71.4°，φ为90°。
所述CCD探测器10为EMCCD探测器，EMCCD探测器前端设置有第三代像增强器，探测波长包括300nm-900nm。
观察窗19的透过玻璃的透过率大于95％，透过波长包括300nm-900nm。
所述光纤8的透过率大于90％，波长包括300-900nm。
所述两个衍射光栅22的刻画线数量为720，分光光栅27的刻画线数量为2400。
所述CCD探测器10采集的TS信号的门宽时间为8ns，采集TALIF信号的门宽时间为50ns。
所述挡板24表面做涂黑处理，宽度为1.5mm。
工作原理：光源单元1用于产生532nm的激光或者205nm的激光。532nm的激光直接由Nd：YAG激光器12产生，用于和等离子体装置3中的电子互相作用。在532nm的激光发射完成后，电控反射镜14在电脑11的控制下转动角度，532nm的激光射向反射镜15，反射镜15再将532nm的激光射入染料激光器13，染料激光器13产生645nm的激光，再由KDP晶体16以及BBO晶体17三倍频产生205nm的激光，再经过多次反射后，进入等离子体装置4。205nm的激光用于激发等离子体中的中性氢，再产生光谱。532nm激光和205nm激光在等离子体装置中是同一条光路。
收集透镜6用于收集光路上的散射光谱或者激光光谱。收集到的光子经过光纤传递给光谱仪9。
所述光谱仪9是三光栅光谱仪。两个衍射光栅22光栅组成陷波滤波器，用于滤除532nm的光。最后的分光光栅27用于分光。
CCD探测器10用于测量光信号的强度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (9)
1.一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，包括光源单元(1)、反射镜(2)、聚焦透镜(3)，等离子体装置(4)、吸食器(5)、收集透镜(6)、光纤架(7)、光纤(8)、光谱仪(9)、CCD探测器(10)以及电脑(11)，其特征在于，
所述光源单元(1)包括Nd：YAG激光器(12)，染料激光器(13)，电控反射镜(14)、反射镜(15)、KDP晶体(16)、BBO晶体(17)，所述电控反射镜(14)在电脑(11)的控制下能将Nd：YAG激光器(12)产生的532nm的激光直接反射向等离子体装置(4)或反射向反射镜(15)，再进入染料激光器(13)，染料激光器(13)产生615nm的激光先后通过KDP晶体(16)以及BBO晶体(17)并合频产生205nm激光，再经过反射镜进入等离子体装置(4)；
所述等离子体装置(4)用于在内部产生等离子体，设置有用于激光穿越的光路窗口(18)以及观察等离子体装置(4)内部的观察窗(19)，光路窗口(18)的透过波长包括205nm；
所述收集透镜(6)的物面设置在所述205nm和532nm激光的光路上，像面设置在所述光纤(8)的光纤孔(20)上，光纤(8)通过光纤架(7)固定；
所述光纤(8)的另一端与光谱仪(9)连接；
所述光谱仪(9)为三光栅光谱仪，包括狭缝(29)、两个消色差准直透镜(21)、两个衍射光栅(22)、两个聚焦透镜(23)、挡板(24)、狭缝(25)、准直透镜(26)、分光光栅(27)以及聚焦透镜(28)，狭缝(29)对准光纤(8)的光纤孔(20)，消色差准直透镜(21)将狭缝(29)进入的光准直后再投射到衍射光栅(22)上进行色散分光，分光后的光被聚焦透镜(23)聚焦，挡板(24)设置在聚焦透镜(23)以及聚焦透镜(23)的焦平面上，第二个消色差准直透镜(21)将挡板(24)过滤后光束准直到第二个衍射光栅(22)上，第二个衍射光栅(22)将色散后后光束复合后再由第二块聚焦透镜(23)聚焦至狭缝(25)，准直透镜(26)将狭缝透过的光准直到分光光栅(27)上，光束经分光后再由聚焦透镜(28)聚焦到CCD探测器(10)上；
所述CCD探测器(10)设置在聚焦透镜(28)的焦平面上。
2.根据权利要求1所述的一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，其特征在于：所述Nd：YAG激光器(12)产生的激光能量大于3J，染料激光器(13)的激光能量大于1J。
3.根据权利要求1所述的一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，其特征在于：所述KDP晶体(16)的e光与光轴夹角θ为71.4°，入射光与晶体夹角φ为90°；所述BBO晶体(17)的θ角为71.4°，φ为90°。
4.根据权利要求1所述的一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，其特征在于：所述CCD探测器(10)为ICCD探测器或者EMCCD探测，探测波长包括300nm-900nm。
5.根据权利要求1所述的一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，其特征在于：观察窗(19)的透过玻璃的透过率大于95％，透过波长包括300nm-900nm。
6.根据权利要求1所述的一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，其特征在于：所述光纤(8)的透过率大于90％，波长包括300-900nm。
7.根据权利要求1所述的一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，其特征在于：所述两个衍射光栅(22)和分光光栅(27)的刻画线数量为720-2400。
8.根据权利要求1所述的一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，其特征在于：所述CCD探测器(10)采集的TS信号的门宽时间为8ns，采集TALIF信号的门宽时间为50ns。
9.根据权利要求1所述的一种应用三光栅光谱仪的TS-TALIF等离子体诊断系统，其特征在于：所述挡板(24)表面做涂黑处理，宽度小于3cm。
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2020
- 2020-09-21 CN CN202010991359.5A patent/CN112097906A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201218 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |