CN114252816B - 一种基于法拉第旋光的高灵敏度磁场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于法拉第旋光的高灵敏度磁场测量装置及方法，属于磁场测量领域，通过使用激光束搭建旋光测量系统，用于测量旋光图像；使用激光束搭建干涉测量系统，用于测量干涉图像的条纹偏移量；根据旋光图像的光强分布，计算得到偏转角的分布；根据干涉图像中的条纹偏移量计算得到电子面密度的分布；根据偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布。本发明可测量磁场的空间范围取决于激光束光斑的大小，且激光束两次次穿过等离子体以及检偏器的角度设置，使旋光测量的灵敏度提升至四倍，能够实现对等离子体内部磁感应强度大范围，高灵敏度的测量。

Description

一种基于法拉第旋光的高灵敏度磁场测量装置及方法

技术领域

本发明属于磁场测量技术领域，涉及一种高灵敏度磁场的测量方法，尤其是一种基于法拉第旋光的高灵敏度磁场测量装置及方法。

背景技术

磁场测量技术多用于解决重要的科研及物理问题，在军事、天文、资源勘探、科学研究等领域有广泛的应用。

Z箍缩是指在脉冲电流作用下产生的等离子体在磁场作用下达到高温高密的状态同时产生强烈X辐射的过程，主要应用于X射线源或惯性约束聚变等。等离子体和磁场的时空分布是Z箍缩动力学的核心问题，也是进一步提高Z箍缩内爆品质和X射线辐射功率的基础。然而，在磁场分布方面，由于等离子体中的磁场强度高、变化范围大(10T～10⁴T)、持续时间短(小于100ns)、变化速度快，且处于高电压(MV)、大电流(MA)及强辐射的极端环境中，这使测量更加具有挑战性。

真空中磁场的测量主要通过接触式的磁感应线圈进行。磁感应线圈具有原理简单、成本低廉且易于操作的特性，一直被广泛地用于时变磁场的测量。磁感应线圈的主体为一个或多个小型线圈，线圈匝数一般为3-5匝，在使用时被放置于等离子体中某一待测区域，因此所处空间中磁场的变化会使线圈回路中产生感应电动势。由于电动势的大小与磁场强度随时间的变化速率成正比，在将感应电动势对时间进行积分后，就可以获得磁感应线圈所在位置处的磁场分布。然而磁探针的探头直接深入等离子体内部后对等离子体的影响主要有以下两个方面：一是使等离子体产生冷却并对运动过程产生扰动；二是自身产生的感应电流会干扰等离子体的磁场。同时，当外界温度过高时，磁探针包覆的涂层将被烧蚀，测量信号可能会突然大于可测阈值从而损坏测量仪器。

另一种非接触式测量方法为法拉第旋光，适用于真空中存在等离子体时的情况。以等离子体作为磁光介质，当一束线偏振光穿过等离子体时，可以看作是两束等幅的左旋和右旋圆偏振光的叠加。这两束光由于磁光效应会具有不同的折射率和传播速度，因此在通过同样的距离后就具有不同的相位滞后，从而使穿过等离子体的线偏振光产生偏转，偏转角度的计算公式为：

式中λ为入射光波长，n_e为电子密度，B为磁场矢量在实验光路上的分量，dl为入射光路的元。但此方法需要等离子体的结构是对称的，同时要已知光路中所有位置的电子密度，对等离子体的环境要求较高。同时，由于对于实验室产生的Z箍缩等离子体来说，旋光偏转角一般在5°以内，测量过程产生的误差较大，且测量范围小。

综上分析可知，在现有公开的背景技术中，如何提高法拉第旋光测量的灵敏度，减少测量误差，从而发展一种原理简单、操作方便、测量范围广的磁场测量方法是个待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种基于法拉第旋光的高灵敏度磁场测量装置及方法以解决目前利用法拉第旋光测量等离子体磁场分布误差大、灵敏度低、测量范围窄的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提供一种基于法拉第旋光的磁场测量装置，包括脉冲激光器，所述脉冲激光器发射的激光束经起偏器入射到第一分束镜上，由第一分束镜入射到第二分束镜分束；由第二分束镜反射的激光束经第一反射镜反射至第四分束镜；由第二分束镜透射的激光束依次穿过第一4f成像系统、等离子体、第二4f成像系统和第三分束镜；由第三分束镜反射的激光束入射到第四分束镜并与第二分束镜反射的激光束经第四分束镜合束至第一相机；由第三分束镜透射的激光束入射到第二反射镜，第二反射镜的反射光依次经过分束镜、第二4f成像系统、等离子体和第一4f成像系统入射到第一分束镜，并由第一分束镜反射到第三反射镜，再由第三反射镜反射到第五分束镜分束；由第五分束镜反射的激光束经过第一检偏器到达第二相机；由第五分束镜透射的激光束入射至第六分束镜分束；由第六分束镜反射的激光束通过第二检偏器至第三相机；由第六分束镜透射的激光束经第四反射镜反射至第四相机；

其中，所述第一检偏器和第二检偏器的偏转角度呈镜像对称设置。

优选地，所述第一4f成像系统包括第一平凸透镜和第二平凸透镜，所述第二4f成像系统包括第三平凸透镜和第四平凸透镜，所述第一平凸透镜设置在第二分束镜与等离子体之间，第二平凸透镜设置在第一平凸透镜与等离子体之间，第三平凸透镜设置在等离子体与第三分束镜之间，第四平凸透镜设置在第三平凸透镜与第三分束镜之间。

优选地，所述第一4f光学系统和第二4f光学系统的成像比例相同。

优选地，所述起偏器、第一检偏器和第二检偏器为消光比大于100000:1的偏振片。

优选地，第一检偏器和第二检偏器的偏振角度与起偏器偏转的角度相同。

优选地，该磁场测量装置还包括真空腔体、第一扩束镜、第二扩束镜、第五反射镜和分色镜，所述真空腔体包覆在离子体待测磁场区域的外部，第一扩束镜设置于脉冲激光器和起偏器之间，分色镜设置于起偏器和第一分束镜之间；脉冲激光器发射的第二激光束穿过第二扩束镜经第五反射镜反射进入分色镜与第一激光束同轴。

一种利用上述磁场测量装置的基于法拉第旋光的磁场测量方法，包括以下步骤：

利用激光束搭建旋光测量系统，测量旋光图像；

利用激光束搭建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量；

根据旋光图像的光强分布，计算偏转角的分布；

根据干涉图像中的条纹偏移量，计算电子面密度的分布；

根据偏转角和电子面密度，计算平均磁场的二维分布。

优选地，利用激光束搭建旋光测量系统，测量旋光图像方法及偏转角计算的方法为：

用第二相机、第三相机和第四相机，在脉冲激光器不发射激光束的情况下，各拍摄一张图片作为基底光强图像；

用第二相机、第三相机和第四相机，使脉冲激光器发射激光束，在激光束不穿过等离子体的情况下，各拍摄一张图片；去除基底光强，第一检偏器偏振平面相较于入射光的固定角度为+β，第二检偏器偏振平面相较于入射光的固定角度为-β，第二相机拍摄的旋光强度分布为I_B+，第三相机拍摄的旋光强度分布为I_B-，第四相机拍摄的阴影图像强度分布为I_B；

用第二相机、第三相机和第四相机，使脉冲激光器发射激光束，使激光束穿过等离子体，各拍摄一张图片；去除基底光强，根据第一检偏器偏振平面相较于入射光的固定角度+β和第二检偏器偏振平面相较于入射光的固定角度-β，第二相机拍摄的旋光强度分布为I_E+，第三相机拍摄的旋光强度分布为I_E-，第四相机拍摄的阴影图像强度分布为I_E；

则偏转角α的分布的计算方法为：

优选地，利用激光束搭建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量及计算得到电子面密度分布的方法为：

利用从脉冲激光器发射的激光束经过起偏器和第一分束镜入射到第二分束器分束，第二分束器反射的激光束作为参考光，参考光经第二反射镜反射进第四分束镜；第二分束器透射的激光束作为负载光穿过等离子体和第三分束镜，负载光经第二反射镜反射进入第四分束镜与参考光汇合形成干涉条纹，第一相机拍摄干涉条纹即为干涉图像，干涉图像的条纹偏移量δ(y)计算方法为：

y是激光束距离等离子体轴心的距离，e是电子电荷，λ是负载光的波长，ε₀是真空介电常量，m_e是电子质量，c是光速，n_e是电子密度，dl为入射光路的元；

等离子体中的电子密度测量计算方法为：

Δδ为条纹偏移数；λ为负载光波长，单位为cm；n_e为电子密度，单位cm^-3；l为激光在等离子体中传播路径的长度。

优选地，根据偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布的方法为：

将负载光穿过等离子体时的干涉条纹和负载光不穿过等离子体时的干涉条纹进行对比得出条纹偏移量的二维分布，从而进一步得出电子密度在探测光路径上的积分分布；根据条纹偏移量和旋光大小求得沿等离子体半径分布的平均磁场强度B_a(r)：

式中B_a(r)是沿等离子体半径分布的平均磁场强度，α(r)是等离子体不同半径处的偏转角度，λ是激光束波长，δ(r)是等离子体不同半径处的干涉条纹偏移量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过在等离子体即旋光介质后设置反射镜，使待测激光束两次通过待测等离子体，以及利用两个镜面对称设置的检偏器进行旋光测量，从而使旋光测量的灵敏度提升了四倍；结合干涉诊断实验，能够实现对等离子体内部磁感应强度大范围，高灵敏度的测量。

利用该装置的磁场测量方法基于法拉第旋光和脉冲功率技术，通过测量旋光图像的强度变化确定偏转角的分布，通过干涉法测量电子密度的分布，最终确定等离子体所在空间位置的磁场强度。其中，可测量磁场的空间范围取决于激光束光斑的大小，且通过旋光探针双次穿过等离子体和两个镜面对称设置的检偏器，使旋光测量的灵敏度提升至四倍，能够实现对磁感应强度高效、可靠、快捷的测量。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的高灵敏度磁场测量装置图；

图2为本发明的实施例中高灵敏度磁场测量装置图；

图3为本发明的高灵敏度磁场测量方法流程图。

其中：1-脉冲激光器，2-激光束，3-起偏器，4-第一分束镜，5-第二分束镜，6-第一平凸透镜，7-第二平凸透镜，8-等离子体，9-第三平凸透镜，10-第四平凸透镜，11-第三分束镜，12-第二反射镜，13-第一反射镜，14-第四分束镜，15-第一相机，16-第三反射镜，17-第五分束镜，18-第六分束镜，19-第四反射镜，20-第一检偏器，21-第二检偏器，22-第二相机，23-第三相机，24-第四相机，25-第一扩束镜，26-分色镜，27-第二激光束，28-第二扩束镜，29-第五反射镜，30-真空腔体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述基于法拉第旋光的高灵敏度磁场的测量装置及方法通过以下理论基础实现：

法拉第旋光效应是指当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面会随着平行于光线方向的磁场发生旋转的现象。一般来说磁光介质可以分为两种类型：一种是用亚铁磁物质作为磁光晶体，主要代表为基于磁光效应的光纤磁场传感器，在外界待测磁场作用下晶体内部磁畴的方向会发生变化，从而使在其中传播的线偏振光的偏振面发生偏转；另一种是以待测等离子体作为磁光介质，对于一束通过介质传播的线偏振光，可以理解为两束旋转方向相反的圆偏振光的叠加。这两束光由于磁光效应会具有不同的折射率和传播速度，因此在通过同样的距离后就具有不同的相位滞后，从而使穿过等离子体的线偏振光产生一定的偏转角度。

对于不均匀的等离子体，法拉第旋光角为：

式中e是电子电荷，λ是探测光的波长，ε₀是真空介电常量，m_e是电子质量，c是光速，n_e是电子密度，B是磁场矢量在探测光路上的分量，dl为入射光路的元。当使用某一固定波长的激光探针进行法拉第旋光诊断时，法拉第旋光角可以写作：

因此，对于Z箍缩离子体来说，轴向的电流会产生角向的磁场，而负载两侧的磁场方向相反。当一束线偏振光经过等离子体时，负载两侧的旋光偏转角度相反。此时，假设沿激光初始入射方向的左侧等离子体导致的旋光偏转角为α，在经过反射以后，这一侧的激光偏转方向会变为-α。由于两次穿过等离子体时间间隔较短，则可以近似认为等离子体状态及磁场分布不变。当再次通过同一侧等离子体时，由于此时磁场方向相反，会再次产生一个负的旋光偏转角-α，与此时的线偏振光的偏振方向叠加，从而使总偏转角达到-2α，即实现两倍的测量灵敏度。

参见图1至图3，本发明提供一种基于法拉第旋光的磁场测量装置，包括输出激光束2的脉冲激光器1、起偏器3、第一分束镜4、第二分束镜5、第三分束镜11、第二反射镜12、第一反射镜13、第四分束镜14、第一相机15、第三反射镜16、第五分束镜17、第六分束镜18、第四反射镜19、第一检偏器20、第二检偏器21、第二相机22、第三相机23、第四相机24；

该系统还包括第一4f成像系统和第二4f成像系统以增强光的收集能力，所述第一4f成像系统包括第一平凸透镜6和第二平凸透镜7，所述第二4f成像系统包括第三平凸透镜9和第四平凸透镜10，第一平凸透镜6、第二平凸透镜7、第三平凸透镜9和第四平凸透镜10的焦距相同，从而保证激光束通过前后均为平行光；

所述脉冲激光器1发出的的激光束2通过起偏器3，透过第一分束镜4，由第二分束镜5分为两束激光束；一束为第二分束镜5透射的激光束，第二分束镜5透射的激光束依次穿过第一4f成像系统的第一平凸透镜6和第二平凸透镜7、待测磁场的等离子体8和第二4f成像系统的第三平凸透镜9和第四平凸透镜10，到达第三分束镜11，第三分束镜11反射的激光束进入第四分束镜14，第三分束镜11透射的激光束到达第二反射镜12反射，再返回依次穿过第三分束镜11和待测磁场的等离子体8，透过第二分束镜5，由第一分束镜4反射到第二反射镜16，再由第二反射镜16反射到第五分束镜17，第五分束镜17反射的激光束通过第一检偏器20至第二相机22，第五分束镜17透射的激光束进入第六分束镜18分束，第六分束镜18反射的激光束通过第二检偏器21至第三相机23，第六分束镜18透射的激光束经第四反射镜19反射至第四相机24；另一束为第二分束镜5反射的激光束，第二分束镜5反射的激光束经第一反射镜13反射至第四分束镜14，并与第三分束镜11反射的激光束合束，至第一相机15。

第一检偏器20和第二检偏器21的偏转角度呈镜像对称设置；

脉冲激光器1的脉冲宽度至少为纳秒级，从而保证测量的时间分辨率。

由第一平凸透镜6和第二平凸透镜7组成的第一4f光学系统和由第三平凸透镜9和第四平凸透镜10组成的第二4f光学系统具有相同的成像比例，从而有助于对旋光和干涉图像的成像。

第一检偏器20和第二检偏器21的偏振角与起偏器3偏转的角度大小相同，且第一检偏器20和第二检偏器21的偏转方向相反，从而获得对称分布的旋光图像。

起偏器3、第一检偏器20和第二检偏器21均为消光比大于100000:1的偏振片，从而提升旋光测量的精度。

第二反射镜12设置在第四平凸透镜10的焦点位置，从而保证成像的准确性，由第二反射镜12反射回的激光束的光路与入射时的光路完全重合。

相机要具有良好的线性度，从而保证旋光偏转角度的准确性。

利用上述磁场测量装置的基于法拉第旋光的磁场测量方法，包括以下步骤：

利用激光束搭建旋光测量系统，测量旋光图像并根据旋光图像的光强分布，计算得到偏转角的分布：用第二相机22、第三相机23和第四相机24，在脉冲激光器1不发射激光束的情况下，各拍摄一张图片作为基底光强图像；

用第二相机22、第三相机23和第四相机24，使脉冲激光器1发射激光束2，但激光束2不穿过等离子体8的情况下，各拍摄一张图片。去除基底光强，根据第一检偏器20偏振平面相较于入射光的固定角度+β和第二检偏器21偏振平面相较于入射光的固定角度-β，第二相机22拍摄的旋光强度分布为I_B+，第三相机23拍摄的旋光强度分布为I_B-，第四相机24拍摄的阴影图像强度分布为I_B；

用第二相机22、第三相机23和第四相机24，在脉冲激光器1发射激光束，且激光束穿过等离子体的情况下，各拍摄一张图片，去除基底光强，根据第一检偏器20偏振平面相较于入射光的固定角度+β和第二检偏器21偏振平面相较于入射光的固定角度-β，第二相机22拍摄的旋光强度分布为I_E+，第三相机23拍摄的旋光强度分布为I_E-，第四相机24拍摄的阴影图像强度分布为I_E；

则偏转角α的分布的计算方法为：

利用激光束搭建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量并根据干涉图像中的条纹偏移量计算得到电子面密度的分布：利用从脉冲激光器1发射的激光束经过起偏器3和第一分束镜4入射到第二分束器5分束，第二分束器5反射的激光束作为参考光，参考光经第一反射镜13反射进第四分束镜14，第二分束器5透射的激光束作为负载光穿过等离子体8和第三分束镜11，负载光经第二反射镜12反射进入第四分束镜14与参考光汇合形成干涉条纹，第一相机15拍摄干涉条纹即为干涉图像，干涉图像的条纹偏移量δ计算方法为：

y是激光束距离等离子体轴心的距离，e是电子电荷，λ是负载光的波长，ε₀是真空介电常量，m_e是电子质量，c是光速，n_e是电子密度，dl为入射光路的元；

等离子体中的电子密度测量计算方法为：

Δδ为条纹偏移数；λ为负载光波长，单位为cm；n_e为电子密度，单位cm^-3；l为激光在等离子体中传播路径的长度；

根据偏转角和电子面密度，计算平均磁场的二维分布：将负载光穿过等离子体8时的干涉条纹和负载光不穿过等离子体8时的干涉条纹进行对比得出条纹偏移量的二维分布，从而进一步得出电子密度在探测光路径上的积分分布；根据条纹偏移量和旋光大小求得沿等离子体8半径分布的平均磁场强度Ba(r)：

式中Ba(r)是沿等离子体8半径分布的平均磁场强度，α(r)是等离子体8不同半径处的偏转角度，λ是激光束波长，δ(r)是等离子体8不同半径处的干涉条纹偏移量。

对于柱状等离子体来说，对称位置的磁场方向相反，导致等离子体左右两侧的偏振面的偏转方向相反。当产生旋光时，等离子体两侧的出射光会有相反的偏转角度，因此两侧出射光相对于检偏器的角度会产生一侧变大一侧变小的情况，即为相较于背景图像来说一侧变量一侧变暗的现象。同时使用两种对称设置的检偏器和反射型的结构可以增加旋光测量的灵敏度，从而测量等离子体中磁感应强度的二维分布，方法包括步骤如下：

参见图2，该装置还包括真空腔体30、第一扩束镜25、第二扩束镜28、第五反射镜29和分色镜26，所述真空腔体30包覆在离子体8待测磁场区域的外部，第一扩束镜25设置于脉冲激光器1和起偏器3之间，分色镜26设置于起偏器3和第一分束镜4之间。

脉冲激光器1为双波长脉冲激光器，脉冲宽度为8ns，从而保证测量的时间分辨率，使用数字信号延时发生器触发脉冲激光器1输出激光，一束波长为1064nm的激光束2用于旋光测量，另一束波长为532nm的激光束27用于干涉测量。两个4f光学系统中均采用焦距均为100mm的平凸透镜，所述真空腔体30使用钢板密封，表面设有石英玻璃用于透光，并用真空泵抽至真空。

波长为1064nm的激光束2经第一扩束镜25扩束后，通过起偏器3转变为线偏振光，线偏振光依次穿过分色镜26、第一分束镜4、第二分束镜5第一平凸透镜6后，入射到真空腔体30，穿过第二平凸透镜7后，在等离子体8中产生旋光效应。此时，在等离子体8旋光介质的影响下，不同位置的激光偏振方向发生不同角度和方向的偏转，从而携带旋光信息。该线偏振光穿过第三平凸透镜9后，从真空腔体30内射出穿过第四平凸透镜10，由第三分束镜11分束，第三分束镜11反射的线偏振光入射到第四分束镜14。第三分束镜11透射的线偏振光由第二反射镜12沿原路径反射，穿过第四平凸透镜10，再次入射到真空腔体30，穿过第三平凸透镜9、等离子体8和第二平凸透镜7后，穿出真空腔体30，在此期间，线偏振光在第二次经过等离子体8时，再次受到同一位置等离子体8的影响，再次产生同样方向的偏转，产生的旋光效应与前一次产生的旋光效应方向相同，从而使旋光角增大至两倍。线偏振光从真空腔体30穿出后，依次穿过第一平凸透镜6、第二分束镜5，由第一分束镜4和反光镜16反射至第五分束镜17分束，第五分束镜17的反射光穿过第一检偏器20进入第二相机22，第五分束镜17的透射光经第六分束镜18分束，第六分束镜18的反射光穿过第二检偏器21进入第三相机23，第六分束镜18的透射光由第四反射镜19反射进入第四相机24。

波长为532nm的激光束27经第二扩束镜28扩束后由第五反光镜29反射进入分色镜26，调整分色镜26使之与波长为1064nm的激光束2同轴，穿过第一分束镜4后，由第二分束镜5分束，第二分束镜5的透射光依次穿过第一平凸透镜6、第二平凸透镜7、等离子体8及其真空腔体30、第三平凸透镜9和第四平凸透镜10，由第三分束镜11反射形成负载光，进入第四分束镜14；第二分束镜5的反射光由第一反射镜13反射形成参考光，进入第四分束镜14，与负载光合束产生条纹图像。

本实施例中，旋光介质和空间磁场由脉冲电流提供，以Z箍缩等离子体作为负载，使用反射型的法拉第旋光诊断测量旋光偏转角，电子面密度通过马赫曾德尔干涉装置测得。

本发明通过开启脉冲激光器，在没有对负载施加电流之前，首先测量没有等离子体的阴影、旋光和干涉图像作为对照。对负载施加脉冲电流，同时触发脉冲激光器1和相机，从而对放电过程中等离子体的旋光图像和干涉图像进行测量；不断调节触发时刻，获得脉冲电流起始后不同时刻的图像；对旋光图像和干涉图像进行处理，得到旋光偏转角分布和电子面密度分布，从而得到磁感应强度的分布随时间的变化。本发明可以同时测量二维平面的磁感应分布，且测量范围仅取决于激光束的光斑的大小。激光束2两次穿过等离子体8以及检偏器角度的设置，使旋光测量的灵敏度提升了四倍，能够实现对等离子体内部磁感应强度的高灵敏度测量。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于法拉第旋光的磁场测量装置，其特征在于，包括脉冲激光器(1)，所述脉冲激光器(1)发射的激光束(2)经起偏器(3)入射到第一分束镜(4)上，由第一分束镜(4)入射到第二分束镜(5)分束；由第二分束镜(5)反射的激光束经第一反射镜(13)反射至第四分束镜(14)；由第二分束镜(5)透射的激光束依次穿过第一4f成像系统、等离子体(8)、第二4f成像系统和第三分束镜(11)；由第三分束镜(11)反射的激光束入射到第四分束镜(14)并与第二分束镜(5)反射的激光束经第四分束镜(14)合束至第一相机(15)；由第三分束镜(11)透射的激光束入射到第二反射镜(12)，第二反射镜(12)的反射光依次经过分束镜(11)、第二4f成像系统、等离子体(8)和第一4f成像系统入射到第一分束镜(4)，并由第一分束镜(4)反射到第三反射镜(16)，再由第三反射镜(16)反射到第五分束镜(17)分束；由第五分束镜(17)反射的激光束经过第一检偏器(20)到达第二相机(22)；由第五分束镜(17)透射的激光束入射至第六分束镜(18)分束；由第六分束镜(18)反射的激光束通过第二检偏器(21)至第三相机(23)；由第六分束镜(18)透射的激光束经第四反射镜(19)反射至第四相机(24)；

其中，所述第一检偏器(20)和第二检偏器(21)的偏转角度呈镜像对称设置。

2.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，所述第一4f成像系统包括第一平凸透镜(6)和第二平凸透镜(7)，所述第二4f成像系统包括第三平凸透镜(9)和第四平凸透镜(10)，所述第一平凸透镜(6)设置在第二分束镜(5)与等离子体(8)之间，第二平凸透镜(7)设置在第一平凸透镜(6)与等离子体(8)之间，第三平凸透镜(9)设置在等离子体(8)与第三分束镜(11)之间，第四平凸透镜(10)设置在第三平凸透镜(9)与第三分束镜(11)之间。

3.根据权利要求2所述的磁场测量装置，其特征在于，所述第一4f光学系统和第二4f光学系统的成像比例相同。

4.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，所述起偏器(3)、第一检偏器(20)和第二检偏器(21)为消光比大于100000:1的偏振片。

5.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，第一检偏器(20)和第二检偏器(21)的偏振角度与起偏器(3)偏转的角度相同。

6.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，还包括真空腔体(30)、第一扩束镜(25)、第二扩束镜(28)、第五反射镜(29)和分色镜(26)，所述真空腔体(30)包覆在离子体(8)待测磁场区域的外部，第一扩束镜(25)设置于脉冲激光器(1)和起偏器(3)之间，分色镜(26)设置于起偏器(3)和第一分束镜(4)之间；脉冲激光器(1)发射的第二激光束(27)穿过第二扩束镜(28)经第五反射镜(29)反射进入分色镜(26)与第一激光束(2)同轴。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述磁场测量装置的基于法拉第旋光的磁场测量方法，其特征在于，包括：

利用激光束搭建旋光测量系统，测量旋光图像；

利用激光束搭建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量；

根据旋光图像的光强分布，计算偏转角的分布；

根据干涉图像中的条纹偏移量，计算电子面密度的分布；

根据偏转角和电子面密度，计算平均磁场的二维分布。

8.根据权利要求7所述的基于法拉第旋光的磁场测量方法，其特征在于，利用激光束搭建旋光测量系统，测量旋光图像方法及偏转角计算的方法为：

用第二相机(22)、第三相机(23)和第四相机(24)，在脉冲激光器(1)不发射激光束的情况下，各拍摄一张图片作为基底光强图像；

用第二相机(22)、第三相机(23)和第四相机(24)，使脉冲激光器(1)发射激光束，在激光束(2)不穿过等离子体(8)的情况下，各拍摄一张图片；去除基底光强，第一检偏器(20)偏振平面相较于入射光的固定角度为+β，第二检偏器(21)偏振平面相较于入射光的固定角度为-β，第二相机(22)拍摄的旋光强度分布为I_B+，第三相机(23)拍摄的旋光强度分布为I_B-，第四相机(24)拍摄的阴影图像强度分布为I_B；

用第二相机(22)、第三相机(23)和第四相机(24)，使脉冲激光器(1)发射激光束(2)，使激光束(2)穿过等离子体(8)，各拍摄一张图片；去除基底光强，根据第一检偏器(20)偏振平面相较于入射光的固定角度+β和第二检偏器(21)偏振平面相较于入射光的固定角度-β，第二相机(22)拍摄的旋光强度分布为I_E+，第三相机(23)拍摄的旋光强度分布为I_E-，第四相机(24)拍摄的阴影图像强度分布为I_E；

则偏转角α的分布的计算方法为：

9.根据权利要求7所述的基于法拉第旋光的磁场测量方法，其特征在于，利用激光束搭建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量及计算得到电子面密度分布的方法为：

利用从脉冲激光器(1)发射的激光束经过起偏器(3)和第一分束镜(4)入射到第二分束器(5)分束，第二分束器(5)反射的激光束作为参考光，参考光经第二反射镜(13)反射进第四分束镜(14)；第二分束器(5)透射的激光束作为负载光穿过等离子体(8)和第三分束镜(11)，负载光经第二反射镜(12)反射进入第四分束镜(14)与参考光汇合形成干涉条纹，第一相机(15)拍摄干涉条纹即为干涉图像，干涉图像的条纹偏移量δ(y₁)计算方法为：

y₁是激光束距离等离子体轴心的距离，e是电子电荷，λ是负载光的波长，ε₀是真空介电常量，m_e是电子质量，c是光速，n_e是电子密度，dl为入射光路的元；

等离子体中的电子密度测量计算方法为：

Δδ为条纹偏移数；λ为负载光的波长，单位为cm；n_e为电子密度，单位cm^-3；l为激光在等离子体中传播路径的长度。

10.根据权利要求7所述的基于法拉第旋光的磁场测量方法，其特征在于，根据偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布的方法为：

将负载光穿过等离子体(8)时的干涉条纹和负载光不穿过等离子体(8)时的干涉条纹进行对比得出条纹偏移量的二维分布，从而进一步得出电子密度在探测光路径上的积分分布；根据条纹偏移量和旋光大小求得沿等离子体(8)半径分布的平均磁场强度B_a(r)：

式中B_a(r)是沿等离子体(8)半径分布的平均磁场强度，α(r)是等离子体(8)不同半径处的偏转角度，λ₁是激光束波长，δ(r)是等离子体(8)不同半径处的干涉条纹偏移量。

Images