CN114690087A - 一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置及方法，包括：基于脉冲激光束构建旋光测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像；对旋光图像和阴影图像进行处理，基于光强分布得到比例系数的分布；结合比例系数相对于偏转角的映射关系，得到偏转角的分布；基于脉冲激光束构建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量；基于干涉图像中的条纹偏移量计算得到电子面密度的分布；基于偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布。本发明测量旋光图像和阴影图像的强度变化确定偏转角的分布，通过干涉图像测量电子面密度的分布，确定等离子体的磁场强度，通过调节分束镜的分光比，调节旋光测量的灵敏度，实现对磁感应强度和灵敏度可调节的测量。
Description
技术领域
本发明属于磁场测量技术领域，涉及一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置及方法。
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。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，线圈中的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。当一束线偏振光穿过等离子体时会发生偏转，且偏转角度与光传播路径上的电子密度和磁场分布有关。但此方法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。在测量等离子体的过程中误差较大，且适用的场景较少。如何提高等离子体在磁场中的灵敏度是亟需解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置及方法，能够提高等离子体在磁场中的灵敏度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置，包括：脉冲激光器、脉冲激光束、起偏器、第一分束镜、等离子体、第二分束镜、第三分束镜、第四分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第五分束镜、第一检偏器、第二检偏器、第一相机、第二相机、第三相机和第四相机；
脉冲激光器作为光源，用于发射脉冲激光束，由脉冲激光器发射的脉冲激光束经过起偏器穿过等离子体后，进入第三分束镜分束；由第三分束镜反射的脉冲激光束穿过第一检偏器进入第二相机；由第三分束镜透射的脉冲激光束进入第四分束镜进行分束；由第四分束镜反射的脉冲激光束穿过第二检偏器进入第三相机；由第四分束镜透射的脉冲激光束第一反射镜进入第四相机；
由脉冲激光器发射的脉冲激光束经过起偏器穿过第一分束镜进行分束；由第一分束镜透射的脉冲激光束依次穿过等离子体和第二分束镜，经过第二分束镜反射的脉冲激光束进入第五分束镜；由第一分束镜反射的脉冲激光束穿过第二反射镜进入第五分束镜，进入第五分束镜的两束光共同进入第一相机。
本发明的进一步改进在于：
还包括真空腔体，等离子体设置于真空腔体内部。
第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜和第四分束镜的中心在同一高度上。
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。
第一相机、第二相机、第三相机和第四相机的线性度为1。
第一检偏器和第二检偏器的偏振方向相对于起偏器偏转角度相同，方向相反。
一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量方法，包括：
基于脉冲激光束构建旋光测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像；
对旋光图像和阴影图像进行处理，基于光强分布得到比例系数的分布；
结合比例系数相对于偏转角的映射关系，得到偏转角的分布；
基于脉冲激光束构建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量；
基于干涉图像中的条纹偏移量计算得到电子面密度的分布；
基于偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布。
基于脉冲激光束构建旋光测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像，具体为：
脉冲激光器发射脉冲激光束，在脉冲激光束通过p偏振方向的起偏器成为线偏振光后，不穿过等离子体的情况下，依次进入第三分束镜、第四分束镜和第一反射镜，第二相机通过第一检偏器拍摄由第三分束镜反射的脉冲激光束的照片I1，第三相机通过第二检偏器拍摄由第四分束镜反射的脉冲激光束的照片I2，第四相机拍摄由第一反射镜反射的脉冲激光束的照片I3；
脉冲激光器发射脉冲激光束，在脉冲激光束通过p偏振方向的起偏器成为线偏振光后，穿过等离子体的情况下，依次进入第三分束镜、第四分束镜和第一反射镜，第二相机通过第一检偏器拍摄由第三分束镜反射的脉冲激光束的照片I'1，第三相机通过第二检偏器拍摄由第四分束镜反射的脉冲激光束的照片I'2，第四相机拍摄由第一反射镜反射的脉冲激光束的照片I'3；
所述对旋光图像和阴影图像进行处理，基于光强分布得到比例系数的分布，具体为：
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，设脉冲激光束能量分布为I(x,y)，则第二相机拍摄的旋光图像I1的强度为I1(x,y)，其表达式如公式(1)所示：
I1(x,y)＝D1(0)I(x,y)cos2(β) (1)
第三相机拍摄的旋光图像I2的强度为I2(x,y)，其表达式如公式(2)所示：
I2(x,y)＝D2(0)I(x,y)cos2(β) (2)
第四相机拍摄的阴影图像I3的强度为I3(x,y)；其表达式如公式(3)所示：
I3(x,y)＝D3(0)I(x,y) (3)
式中D1、D2和D3表示在成像系统中第二相机、第三相机和第四相机成像光强相对于入射光强度的比例系数，是入射光的偏振角的函数；
当存在等离子体时，假设等离子体导致的旋光大小为α(x,y)；当第三分束镜和第四分束镜对S偏振光和P偏振光的透射和反射效率不同时，第三分束镜和第四分束镜的反射光偏振角θ1，θ2是关于α(x,y)的函数；具体表达式如公式(4)所示：
其中，S偏振光和P偏振光为脉冲激光束穿过起偏器时所产生的偏振光；Pr、Pt分别为第三分束镜和第四分束镜对P偏振光的反射和透射效率；Sr、St分别为第三分束镜和第四分束镜对S偏振光的反射和透射效率；
入射光为脉冲激光束穿过经过起偏器后射入等离子体的光；
考虑脉冲激光器的能量波动，设脉冲激光束能量分布为I'(x,y)，则第二相机拍摄的旋光图像I'1的强度为I'1(x,y)，其表达式如公式(5)所示：
I'1(x,y)＝D1(α)I'(x,y)cos2(θ1(α)-β) (5)
第三相机拍摄的旋光图像I'2的强度为I'2(x,y)，其表达式如公式(6)所示：
I'2(x,y)＝D2(α)I'(x,y)cos2(θ2(α)+β) (6)
第四相机拍摄的阴影图像I'3的强度为I'3(x,y)；其表达式如公式(7)所示：
I'3(x,y)＝D3(α)I'(x,y) (7)
引入比例指标IF如公式(8)所示：
结合比例系数相对于偏转角的映射关系，得到偏转角的分布，具体为：当β取值固定时，比例指标IF与旋光偏转角α为映射关系，根据比例指标IF的值反推出旋光偏转角α的值。
基于脉冲激光束构建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量，具体为：
由脉冲激光器发射的脉冲激光束经过起偏器穿过第一分束镜进行分束；由第一分束镜透射的脉冲激光束依次穿过等离子体和第二分束镜形成负载光；由第一分束镜反射的脉冲激光束穿过第二反射镜形成参考光；负载光和参考光进入第五分束镜形成干涉条纹，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)计算方法如公式(9)所示：
其中，y是脉冲激光束距离等离子体轴心的距离，e是电子电荷，λ是脉冲激光束的波长，ε0是真空介电常量，me是电子质量，c是光速，ne是电子密度，dl为入射光路的元；
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，具体为：
对于等离子体中的电子面密度测量，如公式(10)所示：
其中，Δδ表示条纹偏移数；L为脉冲激光束在等离子体中传播路径的长度。
基于偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布，具体为：
将负载光穿过等离子体与不穿越等离子体的干涉条纹进行对比，获取干涉条纹偏移量的二维分布，基于干涉条纹偏移量的二维分布，得出电子面密度在脉冲激光束路径上的积分分布；
根据干涉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Ba(r)，如公式(11)所示：
式中，Ba(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，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：
本发明通过设置起偏器、第三分束镜、第四分束镜、第一反射镜、第一检偏器、第二检偏器、第二相机、第三相机和第四相机，能够获得旋光图像和阴影图像，并通过测量旋光图像和阴影图像的强度变化确定偏转角的分布，同时设置第一分束镜、第二分束镜、第五分束镜、第二反射镜和第一相机，能够获得干涉图像，通过干涉图像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。可测量磁场的空间范围取决于探针光斑的大小。且通过调节旋光通道中第三分束镜和第四分束镜的分光比，可以调节旋光测量的灵敏度，从而实现对磁感应强度高效、可靠、灵敏度可调节的测量。
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为本发明实施例的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置结构图；
图2为本发明实施例的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量方法流程图；
图3为本发明实施例的旋光诊断装置示意图。
其中，1-脉冲激光器；2-脉冲激光束；3-起偏器；4-第一分束镜；5-等离子体；6-第二分束镜；7-第三分束镜；8-第四分束镜；9-第一反射镜；10-第二反射镜；11-第五分束镜；12-第一检偏器；13-第二检偏器；14-第一相机；15-第二相机；16-第三相机；17-第四相机；18-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：
本发明的理论基础为：法拉第旋光效应为：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。当以待测等离子体作为磁光介质时，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。当使用某一固定波长的脉冲激光束进行法拉第旋光诊断时，法拉第旋光角为：
其中，λ是脉冲激光束的波长，ne是电子密度，B是磁场矢量在脉冲激光束上的分量，dl为入射光路的元。
对于法拉第旋光，本发明采用高消光比的检偏器对旋光的角度进行测量，通过两个旋光通道和一个阴影通道中光强的变化计算等离子体偏振角度的变化。高消光比为消光比大于100000:1。
参见图1，本发明公布了一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置，包括：脉冲激光器1、脉冲激光束1、起偏器3、第一分束镜4、等离子体5、第二分束镜6、第三分束镜7、第四分束镜8、第一反射镜9、第二反射镜10、第五分束镜11、第一检偏器12、第二检偏器13、第一相机14、第二相机15、第三相机16和第四相机17；
脉冲激光器1作为光源，用于发射脉冲激光束2，由脉冲激光器1发射的脉冲激光束2经过起偏器3穿过等离子体5后，进入第三分束镜7分束；由第三分束镜7反射的脉冲激光束2穿过第一检偏器12进入第二相机15，；由第三分束镜7透射的脉冲激光束2进入第四分束镜8进行分束；由第四分束镜8反射的脉冲激光束2穿过第二检偏器13进入第三相机16；由第四分束镜8透射的脉冲激光束2第一反射镜8进入第四相机17；
由脉冲激光器1发射的脉冲激光束2经过起偏器3穿过第一分束镜4进行分束；由第一分束镜4透射的脉冲激光束2依次穿过等离子体5和第二分束镜6，经过第二分束镜6反射的脉冲激光束2进入第五分束镜11；由第一分束镜4反射的脉冲激光束2穿过第二反射镜10进入第五分束镜11，进入第五分束镜11的两束光共同进入第一相机14。
等离子体5设置于真空腔体18内部。真空腔体18使用钢板密封，使用真空泵抽至真空；等离子体5由金属丝阵负载施加脉冲电流产生，脉冲电流峰值为450kA，上升沿为400ns；；脉冲宽度为ns量级及以下，保证测量的时间分辨率。
第一分束镜4、第二分束镜6、第三分束镜7和第四分束镜8的中心在同一高度上。
起偏器3、第一检偏器12和第二检偏器13为消光比大于100000:1的偏振片，从而提升旋光测量的精度；
第一相机14、第二相机15、第三相机16和第四相机17的线性度为1，从而保证旋光图像测量的准确度；
第一检偏器12和第二检偏器13的偏振方向相对于起偏器3偏转角度相同，方向相反，从而提升旋光测量的灵敏度。
参见图2，本发明公布了一种调节灵敏度的等离子体磁场光学测量方法，包括：
本实施例通过使用脉冲电流提供旋光介质和空间磁场，使用法拉第旋光诊断结合马赫曾德尔干涉装置分别测量了旋光偏转角和电子面密度；通过在旋光诊断系统中使用高分光比的分束镜，从而提高了旋光测量的灵敏度。
S101，基于脉冲激光束构建旋光测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像。
脉冲激光器1发射脉冲激光束2，在脉冲激光束3通过p偏振方向的起偏器3成为线偏振光后，不穿过等离子体5的情况下，依次进入第三分束镜7、第四分束镜8和第一反射镜9，第二相机15通过第一检偏器12拍摄由第三分束镜7反射的脉冲激光束2的照片I1，第三相机16通过第二检偏器13拍摄由第四分束镜8反射的脉冲激光束2的照片I2，第四相机17拍摄由反射镜(9)反射的脉冲激光束2的照片I3；
脉冲激光器1发射脉冲激光束2，在脉冲激光束2通过p偏振方向的起偏器3成为线偏振光后，穿过等离子体5的情况下，依次进入第三分束镜7、第四分束镜8和第一反射镜9，第二相机15通过第一检偏器12拍摄由第三分束镜7反射的脉冲激光束2的照片I'1，第三相机16通过第二检偏器13拍摄由第四分束镜8反射的脉冲激光束8的照片I'2，第四相机17拍摄由第一反射镜9反射的脉冲激光束2的照片I'3。
S102，对旋光图像和阴影图像进行处理，基于光强分布得到比例系数的分布。
参见图3，定义所有光的偏振状态为偏振面与p偏振面的夹角。入射光的偏振方向与p偏振方向平行，因此入射光的偏振角为0。设第三分束镜7和第四分束镜8的反射光偏振角分别为θ1，θ2，当第三分束镜7和第四分束镜8对S偏振光和P偏振光的透射和反射效率不同时，θ1和θ2也为0。第一检偏器12偏振平面相较于入射光的固定角度为+β，第二检偏器13偏振平面相较于入射光的固定角度为-β，阴影图像不设置检偏器，只使用第一反射镜9进行反射，第一反射镜对入射光的偏振方向没有影响，因此反射光的偏振角也为0。设脉冲激光束能量分布为I(x,y)，则第二相机15拍摄的旋光图像I1的强度为I1(x,y)，其表达式如公式(1)所示：
I1(x,y)＝D1(0)I(x,y)cos2(β) (1)
第三相机16拍摄的旋光图像I2的强度为I2(x,y)，其表达式如公式(2)所示：
I2(x,y)＝D2(0)I(x,y)cos2(β) (2)
第四相机17拍摄的阴影图像I3的强度为I3(x,y)；其表达式如公式(3)所示：
I3(x,y)＝D3(0)I(x,y) (3)
式中D1、D2和D3表示在成像系统中第二相机15、第三相机16和第四相机17成像光强相对于入射光强度的比例系数，是入射光的偏振角的函数；
当存在等离子体5时，假设等离子体5导致的旋光大小为α(x,y)；当第三分束镜7和第四分束镜8对S偏振光和P偏振光的透射和反射效率不同时，第三分束镜7和第四分束镜8的反射光偏振角θ1，θ2是关于α(x,y)的函数；具体表达式如公式(4)所示：
其中，S偏振光和P偏振光为脉冲激光束2穿过起偏器3时所产生的偏振光；Pr、Pt分别为第三分束镜7和第四分束镜8对P偏振光的反射和透射效率；Sr、St分别为第三分束镜7和第四分束镜8对S偏振光的反射和透射效率；
入射光为脉冲激光束2穿过经过起偏器3后射入等离子体5的光。
反射光为经过第三分束镜7和第四分束镜8进入第一检偏器12和第二检偏器13的光。
考虑脉冲激光器1的能量波动，设脉冲激光束能量分布为I'(x,y)，则第二相机15拍摄的旋光图像I'1的强度为I'1(x,y)，其表达式如公式(5)所示：
I'1(x,y)＝D1(α)I'(x,y)cos2(θ1(α)-β) (5)
第三相机(16)拍摄的旋光图像I'2的强度为I'2(x,y)，其表达式如公式(6)所示：
I'2(x,y)＝D2(α)I'(x,y)cos2(θ2(α)+β) (6)
第四相机(17)拍摄的阴影图像I'3的强度为I'3(x,y)；其表达式如公式(7)所示：
I'3(x,y)＝D3(α)I'(x,y) (7)
引入比例指标IF如公式(8)所示：
S103，结合比例系数相对于偏转角的映射关系，得到偏转角的分布。
当β取值固定时，比例指标IF与旋光偏转角α为映射关系，根据比例指标IF的值反推出旋光偏转角α的值。
S104，基于脉冲激光束构建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量。
本发明采用532nm脉冲激光配合马赫–曾德尔干涉仪进行测量。其原理是将入射激光分为负载光和参考光，负载光穿过等离子体而参考光在空气中传播，两束光在经过近似的光程后通过分束镜汇合并形成干涉条纹。当存在等离子体时，由于等离子体内部的折射率发生变化，负载光走过的光程会发生变化，使同一位置的条纹级数会产生变化，反映成干涉条纹产生偏移。
由脉冲激光器1发射的脉冲激光束2经过起偏器3穿过第一分束镜4进行分束；由第一分束镜4透射的脉冲激光束2依次穿过等离子体5和第二分束镜6形成负载光；由第一分束镜4反射的脉冲激光束2穿过第二反射镜10形成参考光；负载光和参考光进入第五分束镜形成干涉条纹，第一相机14摄干涉条纹即为干涉图像，干涉图像的条纹偏移量δ(y)计算方法如公式(9)所示：
其中，y是脉冲激光束距离等离子体轴心的距离，e是电子电荷，ε0是真空介电常量，me是电子质量，c是光速。
S105，基于干涉图像中的条纹偏移量计算得到电子面密度的分布。
对于等离子体中的电子面密度测量，如公式(10)所示：
其中，Δδ表示条纹偏移数；L为脉冲激光束在等离子体中传播路径的长度。
S106，基于偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布。
将负载光穿过等离子体5与不穿越等离子体5的干涉条纹进行对比，获取干涉条纹偏移量的二维分布，基于干涉条纹偏移量的二维分布，得出电子密度在脉冲激光束路径上的积分分布；
根据干涉条纹偏移量和旋光大小求得沿等离子体5半径分布的平均磁场强度Ba(r)，如公式(11)所示：
式中，Ba(r)是沿等离子体5半径分布的平均磁场强度，α(r)是等离子体5不同半径处的偏转角度，δ(r)是等离子体5不同半径处的干涉条纹偏移量。
可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置具体操作方法如下：
开启脉冲激光器1，测量没有等离子体5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和第一相机14、第二相机15、第三相机16和第四相机17，从而对放电过程中等离子体5的旋光图像和干涉图像进行测量；不断调节触发时刻，从而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；调节旋光诊断装置中第三分束镜7和第四分束镜8的分光比和第一检偏器12、第二检偏器13的角度设置，从而改变测量过程的灵敏度。
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)
1.一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置，其特征在于，包括：脉冲激光器(1)、脉冲激光束(2)、起偏器(3)、第一分束镜(4)、等离子体(5)、第二分束镜(6)、第三分束镜(7)、第四分束镜(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、第五分束镜(11)、第一检偏器(12)、第二检偏器(13)、第一相机(14)、第二相机(15)、第三相机(16)和第四相机(17)；
所述脉冲激光器(1)作为光源，用于发射脉冲激光束(2)，所述由脉冲激光器(1)发射的脉冲激光束(2)经过起偏器(3)穿过等离子体(5)后，进入第三分束镜(7)分束；由第三分束镜(7)反射的脉冲激光束(2)穿过第一检偏器(12)进入第二相机(15)；由第三分束镜(7)透射的脉冲激光束(2)进入第四分束镜(8)进行分束；由第四分束镜(8)反射的脉冲激光束(2)穿过第二检偏器(13)进入第三相机(16)；由第四分束镜(8)透射的脉冲激光束(2)第一反射镜(9)进入第四相机(17)；
由脉冲激光器(1)发射的脉冲激光束(2)经过起偏器(3)穿过第一分束镜(4)进行分束；由第一分束镜(4)透射的脉冲激光束(2)依次穿过等离子体(5)和第二分束镜(6)，经过第二分束镜(6)反射的脉冲激光束(2)进入第五分束镜(11)；由第一分束镜(4)反射的脉冲激光束(2)穿过第二反射镜(10)进入第五分束镜(11)，进入第五分束镜(11)的两束光共同进入第一相机(14)。
2.根据权利要求1所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置，其特征在于，还包括真空腔体(18)，所述等离子体(5)设置于真空腔体(18)内部。
3.根据权利要求1所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置，其特征在于，所述第一分束镜(4)、第二分束镜(6)、第三分束镜(7)和第四分束镜(8)的中心在同一高度上。
4.根据权利要求1所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置，其特征在于，所述起偏器(3)、第一检偏器(12)和第二检偏器(13)为消光比大于100000:1的偏振片。
5.根据权利要求1所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置，其特征在于，所述第一相机(14)、第二相机(15)、第三相机(16)和第四相机(17)的线性度为1。
6.根据权利要求1所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置，其特征在于，所述第一检偏器(12)和第二检偏器(13)的偏振方向相对于起偏器(3)偏转角度相同，方向相反。
7.一种基于任意权利要求1～6所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量方法，其特征在于，包括：
基于脉冲激光束构建旋光测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像；
对旋光图像和阴影图像进行处理，基于光强分布得到比例系数的分布；
结合比例系数相对于偏转角的映射关系，得到偏转角的分布；
基于脉冲激光束构建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量；
基于干涉图像中的条纹偏移量计算得到电子面密度的分布；
基于偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布。
8.根据权利要求7所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量方法，其特征在于，所述基于脉冲激光束构建旋光测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像，具体为：
脉冲激光器(1)发射脉冲激光束(2)，在脉冲激光束(2)通过p偏振方向的起偏器(3)成为线偏振光后，不穿过等离子体(5)的情况下，依次进入第三分束镜(7)、第四分束镜(8)和第一反射镜(9)，第二相机(15)通过第一检偏器(12)拍摄由第三分束镜(7)反射的脉冲激光束(2)的照片I1，第三相机(16)通过第二检偏器(13)拍摄由第四分束镜(8)反射的脉冲激光束(2)的照片I2，第四相机(17)拍摄由第一反射镜(9)反射的脉冲激光束(2)的照片I3；
脉冲激光器(1)发射脉冲激光束(2)，在脉冲激光束(2)通过p偏振方向的起偏器(3)成为线偏振光后，穿过等离子体(5)的情况下，依次进入第三分束镜(7)、第四分束镜(8)和第一反射镜(9)，第二相机(15)通过第一检偏器(12)拍摄由第三分束镜(7)反射的脉冲激光束(2)的照片I'1，第三相机(16)通过第二检偏器(13)拍摄由第四分束镜(8)反射的脉冲激光束(2)的照片I'2，第四相机(17)拍摄由第一反射镜(9)反射的脉冲激光束(2)的照片I'3；
所述对旋光图像和阴影图像进行处理，基于光强分布得到比例系数的分布，具体为：
第一检偏器(12)偏振平面相较于入射光的固定角度为+β，第二检偏器(13)偏振平面相较于入射光的固定角度为-β，设脉冲激光束能量分布为I(x,y)，则第二相机(15)拍摄的旋光图像I1的强度为I1(x,y)，其表达式如公式(1)所示：
I1(x,y)＝D1(0)I(x,y)cos2(β) (1)
第三相机(16)拍摄的旋光图像I2的强度为I2(x,y)，其表达式如公式(2)所示：
I2(x,y)＝D2(0)I(x,y)cos2(β) (2)
第四相机(17)拍摄的阴影图像I3的强度为I3(x,y)；其表达式如公式(3)所示：
I3(x,y)＝D3(0)I(x,y) (3)
式中D1、D2和D3表示在成像系统中第二相机(15)、第三相机(16)和第四相机(17)成像光强相对于入射光强度的比例系数，是入射光的偏振角的函数；
当存在等离子体(5)时，假设等离子体(5)导致的旋光大小为α(x,y)；当第三分束镜(7)和第四分束镜(8)对S偏振光和P偏振光的透射和反射效率不同时，第三分束镜(7)和第四分束镜(8)的反射光偏振角θ1，θ2是关于α(x,y)的函数；具体表达式如公式(4)所示：
其中，S偏振光和P偏振光为脉冲激光束(2)穿过起偏器(3)时所产生的偏振光；Pr、Pt分别为第三分束镜(7)和第四分束镜(8)对P偏振光的反射和透射效率；Sr、St分别为第三分束镜(7)和第四分束镜(8)对S偏振光的反射和透射效率；
所述入射光为脉冲激光束(2)穿过经过起偏器(3)后射入等离子体(5)的光；
考虑脉冲激光器(1)的能量波动，设脉冲激光束能量分布为I'(x,y)，则第二相机(15)拍摄的旋光图像I'1的强度为I'1(x,y)，其表达式如公式(5)所示：
I'1(x,y)＝D1(α)I'(x,y)cos2(θ1(α)-β) (5)
第三相机(16)拍摄的旋光图像I'2的强度为I'2(x,y)，其表达式如公式(6)所示：
I'2(x,y)＝D2(α)I'(x,y)cos2(θ2(α)+β) (6)
第四相机(17)拍摄的阴影图像I'3的强度为I'3(x,y)；其表达式如公式(7)所示：
I'3(x,y)＝D3(α)I'(x,y) (7)
引入比例指标IF如公式(8)所示：
所述结合比例系数相对于偏转角的映射关系，得到偏转角的分布，具体为：当β取值固定时，比例指标IF与旋光偏转角α为映射关系，根据比例指标IF的值反推出旋光偏转角α的值。
9.根据权利要求8所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量方法，其特征在于，所述基于脉冲激光束构建干涉测量系统，测量干涉图像的条纹偏移量，具体为：
由脉冲激光器(1)发射的脉冲激光束(2)经过起偏器(3)穿过第一分束镜(4)进行分束；由第一分束镜(4)透射的脉冲激光束(2)依次穿过等离子体(5)和第二分束镜(6)形成负载光；由第一分束镜(4)反射的脉冲激光束(2)穿过第二反射镜(10)形成参考光；负载光和参考光进入第五分束镜(11)形成干涉条纹，第一相机(14)拍摄干涉条纹即为干涉图像，干涉图像的条纹偏移量δ(y)计算方法如公式(9)所示：
其中，y是脉冲激光束距离等离子体轴心的距离，e是电子电荷，λ是脉冲激光束的波长，ε0是真空介电常量，me是电子质量，c是光速，ne是电子密度，dl为入射光路的元；
所述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，具体为：
对于等离子体中的电子面密度测量，如公式(10)所示：
其中，Δδ表示条纹偏移数；L为脉冲激光束在等离子体中传播路径的长度。
10.根据权利要求9所述的可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量方法，其特征在于，所述基于偏转角和电子面密度，获得平均磁场的二维分布，具体为：
将负载光穿过等离子体(5)与不穿越等离子体(5)的干涉条纹进行对比，获取干涉条纹偏移量的二维分布，基于干涉条纹偏移量的二维分布，得出电子面密度在脉冲激光束路径上的积分分布；
根据干涉条纹偏移量和旋光大小求得沿等离子体(5)半径分布的平均磁场强度Ba(r)，如公式(11)所示：
式中，Ba(r)是沿等离子体(5)半径分布的平均磁场强度，α(r)是等离子体(5)不同半径处的偏转角度，δ(r)是等离子体(5)不同半径处的干涉条纹偏移量。
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