JPH0625736B2 - 電子密度測定装置 - Google Patents
電子密度測定装置Info
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- JPH0625736B2 JPH0625736B2 JP1296336A JP29633689A JPH0625736B2 JP H0625736 B2 JPH0625736 B2 JP H0625736B2 JP 1296336 A JP1296336 A JP 1296336A JP 29633689 A JP29633689 A JP 29633689A JP H0625736 B2 JPH0625736 B2 JP H0625736B2
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- electron density
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- measuring device
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光ヘテロダイン干渉法を用いてプラズマ中の電
子密度を測定する電子密度測定装置に関する。
子密度を測定する電子密度測定装置に関する。
（従来の技術） 従来から、プラズマ中の電子密度を測定する電子密度測
定装置としては、微小な金属性探針（プローブ）をプラ
ズマ中に挿入して行う電気探針法、プラズマ中でのマイ
クロ波の減衰率と位相のずれとを測定して電子密度を測
定するマイクロ波法、光干渉計の一方の光路中にプラズ
マを設けて、プラズマの屈折率変化に基づく干渉縞の歪
を測定してプラズマの電子密度を測定する干渉法、２台
のレーザー発振器の干渉ビート信号を利用して電子密度
を測定する光ヘテロダイン干渉法が知られている。
定装置としては、微小な金属性探針（プローブ）をプラ
ズマ中に挿入して行う電気探針法、プラズマ中でのマイ
クロ波の減衰率と位相のずれとを測定して電子密度を測
定するマイクロ波法、光干渉計の一方の光路中にプラズ
マを設けて、プラズマの屈折率変化に基づく干渉縞の歪
を測定してプラズマの電子密度を測定する干渉法、２台
のレーザー発振器の干渉ビート信号を利用して電子密度
を測定する光ヘテロダイン干渉法が知られている。
ここで、電気探針法とは、第９図に示すように、プロー
ブ101をプラズマ102の中に挿入し、陽極又は陰極からな
る参照電極103に対して電圧ＶＰを変化させたときのプ
ローブ電流ＩＰの変化（プローブ特性）を測定すること
によって、電子密度ｎｅを測定するものである。なお、
その第９図において、104はプローブ電流ＩＰを測定す
るための電流計、105は電圧ＶＰを読み取るための電圧
計、106はプラズマ電源である。
ブ101をプラズマ102の中に挿入し、陽極又は陰極からな
る参照電極103に対して電圧ＶＰを変化させたときのプ
ローブ電流ＩＰの変化（プローブ特性）を測定すること
によって、電子密度ｎｅを測定するものである。なお、
その第９図において、104はプローブ電流ＩＰを測定す
るための電流計、105は電圧ＶＰを読み取るための電圧
計、106はプラズマ電源である。
この電気探針法を用いて測定すると、第10図に示すプロ
ーブ特性が得られる。この第10図において、領域IIの電
子電流成分Ｉｅは、電子エネルギーがマックスウェル分
布ｆ（ε）であると仮定すると、 Ie＝AP・ne・ｅ・（8KTe/πｍ）1/2exp（−eV/KTe）／
４ によって与えられる。
ーブ特性が得られる。この第10図において、領域IIの電
子電流成分Ｉｅは、電子エネルギーがマックスウェル分
布ｆ（ε）であると仮定すると、 Ie＝AP・ne・ｅ・（8KTe/πｍ）1/2exp（−eV/KTe）／
４ によって与えられる。
ここで、APはシースの表面積、mは電子の質量、Vはプラ
ズマ電位（空間電位）VSを基準に測定したプローブ電位
であり、V＝VS−VPである。また、εは電子のエネルギ
ーである。これにより、電子電流成分Ｉｅの対数をプロ
ーブ電位Vに対して取ると、傾きから電子温度Teが得ら
れる。領域Ｉでは電子に対して加速電界となり、電子電
流成分Ｉｅは飽和値Ｉeoに達する。その値Ｉeoは、 Ｉeo＝AP・ne・ｅ・（8KTe/πｍ）1/2／４ となり、電子温度Teが既知であれば、電子密度neが求め
られる。
ズマ電位（空間電位）VSを基準に測定したプローブ電位
であり、V＝VS−VPである。また、εは電子のエネルギ
ーである。これにより、電子電流成分Ｉｅの対数をプロ
ーブ電位Vに対して取ると、傾きから電子温度Teが得ら
れる。領域Ｉでは電子に対して加速電界となり、電子電
流成分Ｉｅは飽和値Ｉeoに達する。その値Ｉeoは、 Ｉeo＝AP・ne・ｅ・（8KTe/πｍ）1/2／４ となり、電子温度Teが既知であれば、電子密度neが求め
られる。
なお、複数のプローブをプラズマの中に挿入して電子密
度を測定するプローブ法もある。
度を測定するプローブ法もある。
マイクロ波法は、プラズマの中を伝播する角周波数ωの
電磁波の波数をＫとすると、 Ｋ＝β＋ｉαで定義される減衰定数αと位相定数βが、
（νｅ／ω≪１ならば、α、βが次式で与えられること
を利用するものである。
電磁波の波数をＫとすると、 Ｋ＝β＋ｉαで定義される減衰定数αと位相定数βが、
（νｅ／ω≪１ならば、α、βが次式で与えられること
を利用するものである。
α＝（νｅ・ωP 2／２・ｃ・ω２）（１−ωP 2／ω２）
-1/2 β＝（ω／ｃ）（１−ωP 2／ω２）1/2 ここで、ｃは光の速度、νｅは電子の衝突周波数、ωＰ
はプラズマの角周波数であり、ωＰは ωＰ＝（ｅ２・ｎｅ／ｍｅ・ε０）1/2 である。
-1/2 β＝（ω／ｃ）（１−ωP 2／ω２）1/2 ここで、ｃは光の速度、νｅは電子の衝突周波数、ωＰ
はプラズマの角周波数であり、ωＰは ωＰ＝（ｅ２・ｎｅ／ｍｅ・ε０）1/2 である。
ここで、ｅは電子の電荷、ｍｅは電子の質量である。従
って、プラズマを透過してきたマイクロ波の減衰率αと
位相定数βとを測定すれば、電子の衝突周波数νｅと電
子密度ｎｅとが求められる。
って、プラズマを透過してきたマイクロ波の減衰率αと
位相定数βとを測定すれば、電子の衝突周波数νｅと電
子密度ｎｅとが求められる。
光干渉法は、第11図に示すような測定光学系を用い、プ
ラズマの屈折率ｎを利用し、電子密度を測定するもので
ある。その第11図において、107はパルス光源、108は光
路分割ミラー、109、110は全反射鏡、111はタイミング
時間制御回路、112は光路合成ミラー、113はカメラであ
る。プラズマ102とパルス光源107はタイミング時間制御
回路111によって駆動制御される。
ラズマの屈折率ｎを利用し、電子密度を測定するもので
ある。その第11図において、107はパルス光源、108は光
路分割ミラー、109、110は全反射鏡、111はタイミング
時間制御回路、112は光路合成ミラー、113はカメラであ
る。プラズマ102とパルス光源107はタイミング時間制御
回路111によって駆動制御される。
パルス光源107から出射されたパルス光は光路分割ミラ
ー108により二分割され、一方のパルス光は全反射鏡110
によって反射され、プラズマ102の中を通って光路合成
ミラー112に導かれ、残りのパルス光はそのまま光路合
成ミラー112に導かれる。その両方のパルス光はその光
路合成ミラー112で合成されて互いに干渉し、干渉光と
してカメラ113に入射する。ここで、一方のパルス光
は、プラズマ102を通過する際にプラズマの電子密度に
基づく光学距離の変化によって、カメラ113により写真
撮影された干渉縞114（第12図参照）に歪が生じること
になる。
ー108により二分割され、一方のパルス光は全反射鏡110
によって反射され、プラズマ102の中を通って光路合成
ミラー112に導かれ、残りのパルス光はそのまま光路合
成ミラー112に導かれる。その両方のパルス光はその光
路合成ミラー112で合成されて互いに干渉し、干渉光と
してカメラ113に入射する。ここで、一方のパルス光
は、プラズマ102を通過する際にプラズマの電子密度に
基づく光学距離の変化によって、カメラ113により写真
撮影された干渉縞114（第12図参照）に歪が生じること
になる。
ここで、プラズマの屈折率ｎは、 ｎ＝（１−ωP 2／ω２）1/2 によって与えられる。ωＰはプラズマの角周波数、ωは
光の角周波数である。
光の角周波数である。
ω ωＰ（光を用いる場合この条件を満足する）の場
合、上記の式は近似的に ｎ＝１−（ωP 2／ω２）／２ と表現できる。
合、上記の式は近似的に ｎ＝１−（ωP 2／ω２）／２ と表現できる。
一方、干渉縞114の歪ΔＳは ΔＳ＝（ｎ−１）Ｄ／ω によって与えられる。ここで、Ｄはプラズマの長さであ
る。このΔＳを測定すれば、プラズマの角周波数ωＰが
求められ、ωＰから電子密度ｎｅが求められる。なお、
このΔＳは干渉縞の間隔をｌ、歪量をｄとすると、 ΔＳ＝ｄ／ｌ として求められる。
る。このΔＳを測定すれば、プラズマの角周波数ωＰが
求められ、ωＰから電子密度ｎｅが求められる。なお、
このΔＳは干渉縞の間隔をｌ、歪量をｄとすると、 ΔＳ＝ｄ／ｌ として求められる。
複数個のレーザー共振器を用いる光ヘテロダイン干渉法
としては、第13図に示すような測定光学系が知られてい
る。この第13図において、115、116はレーザー発振器、
117はプラズマ、118、119は反射鏡、120、121は出力
鏡、122は全反射鏡、123はハーフミラー、124は受光器
としての光検出器、125は復調器、126は解析回路、127
はレーザー発振器115、116の出力制御部である。出力制
御部127はレーザー発振器115、116のバックレーザー光
の出力をモニターしてレーザー発振器115、116の出力を
安定化させる機能を有する。
としては、第13図に示すような測定光学系が知られてい
る。この第13図において、115、116はレーザー発振器、
117はプラズマ、118、119は反射鏡、120、121は出力
鏡、122は全反射鏡、123はハーフミラー、124は受光器
としての光検出器、125は復調器、126は解析回路、127
はレーザー発振器115、116の出力制御部である。出力制
御部127はレーザー発振器115、116のバックレーザー光
の出力をモニターしてレーザー発振器115、116の出力を
安定化させる機能を有する。
プラズマ117の中を通りハーフミラー122により反射され
てハーフミラー123に導かれるレーザー光とそのままハ
ーフミラー123に導かれるレーザー光とはハーフミラー1
23により光路合成され、光検出器124に干渉光として検
出される。そして、その光検出器124からは干渉ビート
信号としての検出信号Ｉ（ｔ）が出力される。検出信号
Ｉ（ｔ）は復調器125により復調され、解析回路126に入
力される。
てハーフミラー123に導かれるレーザー光とそのままハ
ーフミラー123に導かれるレーザー光とはハーフミラー1
23により光路合成され、光検出器124に干渉光として検
出される。そして、その光検出器124からは干渉ビート
信号としての検出信号Ｉ（ｔ）が出力される。検出信号
Ｉ（ｔ）は復調器125により復調され、解析回路126に入
力される。
ここで、レーザー共振器115、116の出力強度を、Ｉ１、
Ｉ２、その発振周波数をν１、ν２とすると、検出信号
Ｉ（ｔ）は Ｉ（ｔ）＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）1/2. COM［２π（ν１−ν２ｔ＋２πｔδνＰ（ｔ）］ として与えられる。
Ｉ２、その発振周波数をν１、ν２とすると、検出信号
Ｉ（ｔ）は Ｉ（ｔ）＝Ｉ１＋Ｉ２＋２（Ｉ１・Ｉ２）1/2. COM［２π（ν１−ν２ｔ＋２πｔδνＰ（ｔ）］ として与えられる。
従って、この検出信号の交流成分の周波数変化によりプ
ラズマ周波数の変化２πδνＰ（ｔ）が求められ、 ωＰ＝２πνＰ＝（ｅ２・ｎｅ／ｍｅ・ε０）1/2 という式を用いて、電子密度ｎｅが算出される。
ラズマ周波数の変化２πδνＰ（ｔ）が求められ、 ωＰ＝２πνＰ＝（ｅ２・ｎｅ／ｍｅ・ε０）1/2 という式を用いて、電子密度ｎｅが算出される。
（考案が解決しようとする課題） しかしながら、プローブ法は、プローブの挿入によって
プラズマが影響を受け、プローブの形状、プラズマの条
件を考慮して適切な理論に基づきデータを解析して電子
密度を決定しなければならないという不都合がある。
プラズマが影響を受け、プローブの形状、プラズマの条
件を考慮して適切な理論に基づきデータを解析して電子
密度を決定しなければならないという不都合がある。
マイクロ波法は、電子密度の増加に伴ってマイクロ波の
周波数を高くする必要があり、高密度プラズマの測定が
困難であるという不具合がある。
周波数を高くする必要があり、高密度プラズマの測定が
困難であるという不具合がある。
光干渉法では、プラズマを干渉計の中に置く必要があ
り、プラズマの形状或は大きさが限定され、また、干渉
縞を写真撮影して測定する方法であるので、リアルタイ
ムで測定を行うことができないという不具合がある。更
に、電子密度の時間変化を測定するには、パルス光源を
遅延時間を持たせて光らせる必要があり、装置が複雑で
大型となる不都合がある。
り、プラズマの形状或は大きさが限定され、また、干渉
縞を写真撮影して測定する方法であるので、リアルタイ
ムで測定を行うことができないという不具合がある。更
に、電子密度の時間変化を測定するには、パルス光源を
遅延時間を持たせて光らせる必要があり、装置が複雑で
大型となる不都合がある。
複数個のレーザー装置を用いるヘテロダイン干渉法で
は、上記の課題のうちのいくつかを解決することが可能
であるが、装置が複雑で、大型となり、また、ビート信
号を取り出すために波長の極近いレーザー光を用いる必
要からレーザー装置に限りがあり、汎用性に欠けるとい
う不都合がある。
は、上記の課題のうちのいくつかを解決することが可能
であるが、装置が複雑で、大型となり、また、ビート信
号を取り出すために波長の極近いレーザー光を用いる必
要からレーザー装置に限りがあり、汎用性に欠けるとい
う不都合がある。
そこで、本発明の目的は、装置が簡単かつ小型で汎用性
を有し、しかも、簡単に電子密度を測定することのでき
る電子密度測定装置を提供するところにある。
を有し、しかも、簡単に電子密度を測定することのでき
る電子密度測定装置を提供するところにある。
（課題を解決するための手段） （発明の原理） 第１図は本発明の原理を説明するための光学系を示す図
であって、この第１図において、１はレーザー光源、２
はハーフミラー、３は全反射ミラー、４は変調器、５は
全反射ミラー、６はハーフミラー、７はプラズマ装置、
８は全反射ミラー、９はプラズマ電極、１０は受光器と
しての光検出器である。
であって、この第１図において、１はレーザー光源、２
はハーフミラー、３は全反射ミラー、４は変調器、５は
全反射ミラー、６はハーフミラー、７はプラズマ装置、
８は全反射ミラー、９はプラズマ電極、１０は受光器と
しての光検出器である。
レーザー光源１から出射されたレーザー光の一部はハー
フミラー２により反射されて参照光として変調器４に導
かれて一定周波数ｆａで変調され、全反射鏡５に導かれ
る。残りのレーザー光はハーフミラー２を透過して全反
射鏡３に導かれる。全反射鏡５によって反射された分割
レーザー光はハーフミラー６に導かれる。全反射鏡３に
よって反射された分割レーザー光はハーフミラー６を透
過してプラズマ装置７に導かれ、プラズマ電子密度によ
る屈折率の変化に基づき変調を受ける。そのプラズマ装
置７を透過したレーザー光は全反射鏡８により反射され
て再びプラズマ装置７を透過してハーフミラー６に導か
れる。全反射鏡５によって反射されたレーザー光は、ハ
ーフミラー６を透過し、プラズマ装置７を通過してきた
レーザー光はハーフミラー６により反射され、これらは
干渉光として光検出器１０に導かれる。
フミラー２により反射されて参照光として変調器４に導
かれて一定周波数ｆａで変調され、全反射鏡５に導かれ
る。残りのレーザー光はハーフミラー２を透過して全反
射鏡３に導かれる。全反射鏡５によって反射された分割
レーザー光はハーフミラー６に導かれる。全反射鏡３に
よって反射された分割レーザー光はハーフミラー６を透
過してプラズマ装置７に導かれ、プラズマ電子密度によ
る屈折率の変化に基づき変調を受ける。そのプラズマ装
置７を透過したレーザー光は全反射鏡８により反射され
て再びプラズマ装置７を透過してハーフミラー６に導か
れる。全反射鏡５によって反射されたレーザー光は、ハ
ーフミラー６を透過し、プラズマ装置７を通過してきた
レーザー光はハーフミラー６により反射され、これらは
干渉光として光検出器１０に導かれる。
その光検出器１０から出力される検出信号はハイパスフ
ィルター１１を介して復調器１２に導かれ、復調信号Ｓ
が得られる。
ィルター１１を介して復調器１２に導かれ、復調信号Ｓ
が得られる。
ところで、プラズマ等の光学的性質を表現するものに複
素屈折率＊ｎがある。
素屈折率＊ｎがある。
この複素屈折率＊ｎは、一般に、 ＊ｎ＝ｎ（ω）＋ｉｋ（ω） と表現される。
上記式において、ｎ（ω）の項は電子密度による屈折率
を意味し、ｋ（ω）の項は原子、分子による吸収を意味
している。ここでは、電子密度の屈折率ｎ（ω）を測定
するのであるから、ｋ（ω）＝０であることが前提であ
る。
を意味し、ｋ（ω）の項は原子、分子による吸収を意味
している。ここでは、電子密度の屈折率ｎ（ω）を測定
するのであるから、ｋ（ω）＝０であることが前提であ
る。
この条件は、原子、分子の吸収スペクトル線から離れた
波長の光を用いれば達成される。
波長の光を用いれば達成される。
いま、プラズマの自由電子の角周波数をωｅ、電子の電
荷をｅ、電子の質量をｍｅ、誘電率をε０、電子密度を
Ｎｅとすると、 ωｅ＝（ｅ２・Ｎｅ／ｍｅ・ε０）1/2 によって与えられる。
荷をｅ、電子の質量をｍｅ、誘電率をε０、電子密度を
Ｎｅとすると、 ωｅ＝（ｅ２・Ｎｅ／ｍｅ・ε０）1/2 によって与えられる。
一方、屈折率ｎは、 ｎ＝（１−（ωｅ／ω）２）1/2 である。
ここで、ωは光の角周波数である。光の角周波数は電子
の角周波数よりも非常に大きいので、ω＞＞ωｅであ
り、上記の式は、 ｎ＝１−（ωｅ／ω）２／２ に変形できる。
の角周波数よりも非常に大きいので、ω＞＞ωｅであ
り、上記の式は、 ｎ＝１−（ωｅ／ω）２／２ に変形できる。
プラズマの長さをＬとすれば、その光学的距離はｎ・Ｌ
であり、電子密度による光学距離の変化ΔＸは、 ΔＸ＝Ｌ（ｎ−１）＝Ｌ（−ωe 2／ω２）／２ である。
であり、電子密度による光学距離の変化ΔＸは、 ΔＸ＝Ｌ（ｎ−１）＝Ｌ（−ωe 2／ω２）／２ である。
ここで、変調器４により参照光の周波数をｆａだけ変調
させたとし、レーザー光の周波数をｆ０、光学距離の変
化を時間ｔの関数として２ΔＸ（ｔ）と表現することに
すると、 測定光の振幅Ｅ１は、 Ｅ１＝ＥＳ・expi{2πf0t+4π・２ΔX（ｔ）／λ} と表現できる。
させたとし、レーザー光の周波数をｆ０、光学距離の変
化を時間ｔの関数として２ΔＸ（ｔ）と表現することに
すると、 測定光の振幅Ｅ１は、 Ｅ１＝ＥＳ・expi{2πf0t+4π・２ΔX（ｔ）／λ} と表現できる。
ここで、λはレーザー光の波長、ＥＳは定数である。
一方、参照光の振幅Ｅ２は、 Ｅ２＝Ｅｒ・expr｛２π（ｆ０＋ｆａ）ｔ＋θ｝ と表現できる。
ここで、Ｅｒ、θは定数である。
測定光と参照光とによる干渉ビート信号の強さＩ′は、 Ｉ′＝Ｋ｜Ｅ１＋Ｅ２｜２ ＝Ｋ｛｜ＥＳ｜２＋｜Ｅｒ｜２＋ 2ＥＳＥｒcos［２πfat−4π・２ΔＸ （ｔ）／λ−θ]｝ と表現される。
ここで、Ｋは光電変換効率である。
光学距離の変化成分は第３項に含まれているので、バイ
パスフィルターによって交流成分のみを取出し、交流成
分をＩとすると、Ｉは、 Ｉ＝２ＫＥＳＥｒcos［２πｆａｔ−４π・２ΔＸ （ｔ）／λ−θ］ と表現できる。
パスフィルターによって交流成分のみを取出し、交流成
分をＩとすると、Ｉは、 Ｉ＝２ＫＥＳＥｒcos［２πｆａｔ−４π・２ΔＸ （ｔ）／λ−θ］ と表現できる。
従って、この干渉ビート信号を復調すると、復調信号Ｓ
が Ｓ＝４π・２ΔＸ（ｔ）／λ として得られる。
が Ｓ＝４π・２ΔＸ（ｔ）／λ として得られる。
従って、 Ｓ＝ｅ２λＮｅ（ｔ）／πＣ２ｍｅε０ が得られ、Ｓを測定すると、電子密度Ｎｅが得られる。
従って、本発明に係わる電子密度測定装置は、１台のレ
ーザー発振器から出射されたレーザー光を二分割して一
方の分割レーザー光を光変調器を用いて一定周波数で変
調し、他方の分割レーザー光をプラズマの中に導き、そ
の他方の分割レーザー光をプラズマ電子密度による屈折
率の変化に基づき変調させ、そのプラズマの中を通って
きた他方の分割レーザー光とその一方の分割レーザー光
とを干渉させて受光器に導き、その受光器から出力され
る干渉ビート信号を復調して、プラズマ中の電子密度を
測定することを特徴とする。
ーザー発振器から出射されたレーザー光を二分割して一
方の分割レーザー光を光変調器を用いて一定周波数で変
調し、他方の分割レーザー光をプラズマの中に導き、そ
の他方の分割レーザー光をプラズマ電子密度による屈折
率の変化に基づき変調させ、そのプラズマの中を通って
きた他方の分割レーザー光とその一方の分割レーザー光
とを干渉させて受光器に導き、その受光器から出力され
る干渉ビート信号を復調して、プラズマ中の電子密度を
測定することを特徴とする。
（実施例） 以下に本発明に係わる電子密度測定装置の実施例を図面
を参照しつつ説明する。
を参照しつつ説明する。
第２図において、20はレーザー発振器である。ここで
は、レーザー発振器20としてはＨｅ−Ｎｅレーザーを用
い、直線偏光のレーザー光を出力する。このレーザー光
の偏光面は紙面に対して平行（Ｐ偏光）である。レーザ
ー発振器20から出射されたレーザー光は光軸調整用ミラ
ー21、22により反射されて、ビームスプリッタ23に導か
れる。
は、レーザー発振器20としてはＨｅ−Ｎｅレーザーを用
い、直線偏光のレーザー光を出力する。このレーザー光
の偏光面は紙面に対して平行（Ｐ偏光）である。レーザ
ー発振器20から出射されたレーザー光は光軸調整用ミラ
ー21、22により反射されて、ビームスプリッタ23に導か
れる。
光軸調整用ミラー21、22は光干渉器23′に対する光軸の
高さ、方向、水平位置を調整する機能を果たす。レーザ
ー光の一部はそのビームスプリッタ23により反射され
て、直角プリズム24に導かれ、この直角プリズム24によ
って音響光学効果を用いた変調器25に導かれる。変調器
25はレーザー光の周波数を一定周波数で変調する。ビー
ムスプリッタ23を透過したレーザー光は偏光ビームスプ
リッタ26に導かれる。そして、この偏光ビームスプリッ
タ26を透過して１／４波長板27に導かれる。そして、こ
の１／４波長板27によって位相がπ／４（直線偏光が円
偏光に変換）だけずらされて、外部のプラズマ装置28に
導かれ、プラズマにより光学的変調を受け、全反射ミラ
ー29に導かれる。そして、その全反射ミラー29により反
射されて、プラズマ装置28を通過して１／４波長板27に
導かれる。そして、再び位相がπ／４だけずらされてビ
ームスプリッタ26に戻る。従って、円偏光のレーザー光
は初期に対してπ／２だけ位相がずれたＳ偏光となり、
このビームスプリッタ26により反射されて偏光板30に導
かれ、この偏光板30を通過して光軸調整用ミラー31に導
かれる。変調器25により変調されたレーザー光は直角プ
リズム32により反射され、偏光ビームスプリッタ26に導
かれ、この偏光ビームスプリッタ26を透過して、偏光板
30に導かれる。偏光ビームスプリッタ26を透過したレー
ザー光と偏光ビームスプリッタ26により反射されたレー
ザー光とは合成されて干渉し、その干渉光はアイリス33
を通過してレンズ34により光検出器35に結像される。こ
れにより、光検出器35は干渉ビート信号を出力し、その
干渉ビート信号はプリアンプリファイター36で増幅さ
れ、復調器37により復調され、復調信号Ｓinが出力さ
れ、電子密度が求められる。
高さ、方向、水平位置を調整する機能を果たす。レーザ
ー光の一部はそのビームスプリッタ23により反射され
て、直角プリズム24に導かれ、この直角プリズム24によ
って音響光学効果を用いた変調器25に導かれる。変調器
25はレーザー光の周波数を一定周波数で変調する。ビー
ムスプリッタ23を透過したレーザー光は偏光ビームスプ
リッタ26に導かれる。そして、この偏光ビームスプリッ
タ26を透過して１／４波長板27に導かれる。そして、こ
の１／４波長板27によって位相がπ／４（直線偏光が円
偏光に変換）だけずらされて、外部のプラズマ装置28に
導かれ、プラズマにより光学的変調を受け、全反射ミラ
ー29に導かれる。そして、その全反射ミラー29により反
射されて、プラズマ装置28を通過して１／４波長板27に
導かれる。そして、再び位相がπ／４だけずらされてビ
ームスプリッタ26に戻る。従って、円偏光のレーザー光
は初期に対してπ／２だけ位相がずれたＳ偏光となり、
このビームスプリッタ26により反射されて偏光板30に導
かれ、この偏光板30を通過して光軸調整用ミラー31に導
かれる。変調器25により変調されたレーザー光は直角プ
リズム32により反射され、偏光ビームスプリッタ26に導
かれ、この偏光ビームスプリッタ26を透過して、偏光板
30に導かれる。偏光ビームスプリッタ26を透過したレー
ザー光と偏光ビームスプリッタ26により反射されたレー
ザー光とは合成されて干渉し、その干渉光はアイリス33
を通過してレンズ34により光検出器35に結像される。こ
れにより、光検出器35は干渉ビート信号を出力し、その
干渉ビート信号はプリアンプリファイター36で増幅さ
れ、復調器37により復調され、復調信号Ｓinが出力さ
れ、電子密度が求められる。
なお、偏光板30は干渉されるレーザー光の偏光面が直交
しているので参照光と測定光との光量比が１：１になる
ように調整する機能を有し、光検出器35から出力される
干渉ビート信号が最大となるように調整する。光軸調整
用ミラー31は光検出器35に対する光軸調整に用いる。ま
た、ビームスプリッタ23、直角プリズム24、32、光変調
器25の入射面にはＨｅ−Ｎｅレーザー光の反射防止膜が
蒸着されている。さらに、プリアンプリファイアー36、
復調器37、電源回路（図示を略す）は光学台38の下部に
設けられている。
しているので参照光と測定光との光量比が１：１になる
ように調整する機能を有し、光検出器35から出力される
干渉ビート信号が最大となるように調整する。光軸調整
用ミラー31は光検出器35に対する光軸調整に用いる。ま
た、ビームスプリッタ23、直角プリズム24、32、光変調
器25の入射面にはＨｅ−Ｎｅレーザー光の反射防止膜が
蒸着されている。さらに、プリアンプリファイアー36、
復調器37、電源回路（図示を略す）は光学台38の下部に
設けられている。
復調信号Ｓinの電圧から直接電子密度に変換するには以
下に説明する公知の手段を用いる。
下に説明する公知の手段を用いる。
復調信号Ｓinは第４図に示す回路に入力される。その第
４図において、40は中心周波数ｆ０のバンドパスフィル
ター、41は増幅器、42は遅延回路で、Ｓin＝cos(2πｆ
０ｔ＋φ（ｔ））を第４図に示す回路を通すと、増幅器
41からcos2πｆ０ｔの信号が出力され、遅延回路42によ
ってπ／２だけ遅延されて、加算器43からは、加算出力
Ｓcutが出力され、加算出力Ｓcutは以下の式によって表
現される。
４図において、40は中心周波数ｆ０のバンドパスフィル
ター、41は増幅器、42は遅延回路で、Ｓin＝cos(2πｆ
０ｔ＋φ（ｔ））を第４図に示す回路を通すと、増幅器
41からcos2πｆ０ｔの信号が出力され、遅延回路42によ
ってπ／２だけ遅延されて、加算器43からは、加算出力
Ｓcutが出力され、加算出力Ｓcutは以下の式によって表
現される。
Ｓcut＝cos(2πf0t＋φ(t))cos(2πf0t＋π／２) ＝cos(4πf0t＋φ(t)＋π／２)／２ ＋cos(φ(t)−π／２) ここで、第１項はＦＭ信号、第２項はＡＭ信号を意味す
る。
る。
もし、屈折率による光学距離の変化が、 ２ΔＸ＝ｄsinωｔ であるとすると、 Ｓin＝cos(2πf0t＋４πｄsinωｔ／λ) 観測信号は実数であるので、出力電圧Ｖ（ｔ）は、ベッ
セル関数を用いて、 Ｖ（ｔ）＝Ｒｅ［ｅｉωｔ｛Ｊ０（４πｄ／λ｝＋ ２ｉＪ１（４πｄ／λ）sinωｔ＋２Ｊ２（４πｄ／ λ）sin2ωｔ＋…｝］ として表わされる。
セル関数を用いて、 Ｖ（ｔ）＝Ｒｅ［ｅｉωｔ｛Ｊ０（４πｄ／λ｝＋ ２ｉＪ１（４πｄ／λ）sinωｔ＋２Ｊ２（４πｄ／ λ）sin2ωｔ＋…｝］ として表わされる。
この観測信号をスペクトル分布で見ると、第５図に示す
ようなものとなる。
ようなものとなる。
ここで、 Ｊ１（４πｄ／λ）／Ｊ０（４πｄ／λ）＝２πｄ／λ であるので、Ｊ１＝Ｊ０を求めると、ｄが求められる。
そこで、第６図に示すようにオートゲインコントロール
回路44と増幅回路45とを第４図に示す回路に付加し、キ
ヤリア信号を一定にすると、 Ｊ０＝const＝Ａ 故に、 Ｊ１／Ａ＝２πｄ／λ よって、ｄ＝Ｊ１λ／２πＡ 従って、このｄを求めれば、ΔＸが求められ、光学距離
の時間変化が得られる。この光学距離の時間変化が求め
られれば、プラズマの角周波数ωＰが求められ、プラズ
マの角周波数ωＰと電子密度Ｎｅとの間には一定の関係
があるので、電子密度Ｎｅが求められる。これらは復調
して得られた復調信号をオシロスコープに表示するだけ
で電子密度の時間変化を直接読み取ることができ、リア
ルタイム測定が可能である。
回路44と増幅回路45とを第４図に示す回路に付加し、キ
ヤリア信号を一定にすると、 Ｊ０＝const＝Ａ 故に、 Ｊ１／Ａ＝２πｄ／λ よって、ｄ＝Ｊ１λ／２πＡ 従って、このｄを求めれば、ΔＸが求められ、光学距離
の時間変化が得られる。この光学距離の時間変化が求め
られれば、プラズマの角周波数ωＰが求められ、プラズ
マの角周波数ωＰと電子密度Ｎｅとの間には一定の関係
があるので、電子密度Ｎｅが求められる。これらは復調
して得られた復調信号をオシロスコープに表示するだけ
で電子密度の時間変化を直接読み取ることができ、リア
ルタイム測定が可能である。
なお、Ｊ１はω０＋ω、ω０−ωにおける電圧である。
第３図は本発明に係わる電子密度測定装置によって測定
した放電プラズマ中の電子密度のグラフを示しており、
実線はヘリウムガスが２TOrrの場合、点線はヘリウムガ
スが20TOrrの場合を示している。なお、プラズマ放電は
10ＫＶの電圧で充電した2800ＰＦのコンデンサーによっ
てヘリウム中に放電を起こさせることによって得た。
した放電プラズマ中の電子密度のグラフを示しており、
実線はヘリウムガスが２TOrrの場合、点線はヘリウムガ
スが20TOrrの場合を示している。なお、プラズマ放電は
10ＫＶの電圧で充電した2800ＰＦのコンデンサーによっ
てヘリウム中に放電を起こさせることによって得た。
第７図、第８図は干渉ビート信号を光学的手段を用いて
安定させるための実施例を示し、光学距離調整手段とし
ての、プリズム50、51を用いて、ハーフミラー55から反
射ミラー29までの２倍の距離とそのハーフミラー55から
光検出器35までの距離との和がレーザー発振器の長さｌ
（第８図参照）の１／２の整数倍となるように光学距離
を調整することにしたものであり、その第７図におい
て、52はハーフミラー、53、54は全反射ミラー、55はハ
ーフミラーである。
安定させるための実施例を示し、光学距離調整手段とし
ての、プリズム50、51を用いて、ハーフミラー55から反
射ミラー29までの２倍の距離とそのハーフミラー55から
光検出器35までの距離との和がレーザー発振器の長さｌ
（第８図参照）の１／２の整数倍となるように光学距離
を調整することにしたものであり、その第７図におい
て、52はハーフミラー、53、54は全反射ミラー、55はハ
ーフミラーである。
つまり、第８図に示すように、ハーフミラー55から反射
ミラー29までの２倍の距離とそのハーフミラー55から光
検出器35までの距離との和を横軸として干渉計からの距
離とし、縦軸に干渉ビート信号の出力をとると、実線で
示すように干渉ビート信号の出力が変化し、レーザー発
振器の距離ｌの１／２の整数倍の箇所でその出力が最大
となるため、反射ミラー29を矢印方向に動かして干渉ビ
ート信号を安定化させることもできるが、レーザー光が
プラズマ装置28の中を２回通過することになることに基
づく時間的なずれを極力なくすために、反射ミラー29を
極力プラズマ装置28に近付けて配置することが望ましい
ことと、プラズマ装置28の大きさによって反射ミラー29
の位置が制約されることとから、プリズム51を矢印方向
に移動させて、干渉ビート信号の安定化を図ることにし
たものであり、プリズム51を矢印方向に調整すると第８
図に破線ａで示すように安定した干渉ビート信号の復調
出力が得られる。
ミラー29までの２倍の距離とそのハーフミラー55から光
検出器35までの距離との和を横軸として干渉計からの距
離とし、縦軸に干渉ビート信号の出力をとると、実線で
示すように干渉ビート信号の出力が変化し、レーザー発
振器の距離ｌの１／２の整数倍の箇所でその出力が最大
となるため、反射ミラー29を矢印方向に動かして干渉ビ
ート信号を安定化させることもできるが、レーザー光が
プラズマ装置28の中を２回通過することになることに基
づく時間的なずれを極力なくすために、反射ミラー29を
極力プラズマ装置28に近付けて配置することが望ましい
ことと、プラズマ装置28の大きさによって反射ミラー29
の位置が制約されることとから、プリズム51を矢印方向
に移動させて、干渉ビート信号の安定化を図ることにし
たものであり、プリズム51を矢印方向に調整すると第８
図に破線ａで示すように安定した干渉ビート信号の復調
出力が得られる。
なお、ハーフミラー52とハーフミラー53との間にプリズ
ム50、51に相当する機能を有する光学部材を設けてもよ
い。
ム50、51に相当する機能を有する光学部材を設けてもよ
い。
（効果） 本発明に係わる電子密度測定装置は、以上説明したよう
に構成したので、取り扱いが容易であり、プラズマと電
子密度測定装置との離間距離も任意に設定でき、電子密
度の遠隔操作が可能である。
に構成したので、取り扱いが容易であり、プラズマと電
子密度測定装置との離間距離も任意に設定でき、電子密
度の遠隔操作が可能である。
また、電子密度測定装置の構成も簡単であり、汎用性が
あり、プラズマ内の電子密度の時間的変化も直接読み取
ることができ、リアルタイムの測定が可能である。
あり、プラズマ内の電子密度の時間的変化も直接読み取
ることができ、リアルタイムの測定が可能である。
第１図は本発明に係わる電子密度測定装置に用いる測定
光学系の原理を説明するための図、 第２図は本発明に係わる電子密度測定装置の実施例を示
す測定光学系図、 第３図は第２図に示す電子密度測定装置によっての測定
結果の一例を示すグラフ、 第４図はその測定回路の一例を示す図、 第５図はスペクトル分布を示す図、 第６図はその測定回路の詳細例を示す図、 第７図は本発明に係わる電子密度測定装置の他の例を示
す測定光学系図、 第８図は第７図に示す電子密度測定装置の効用を説明す
るためのグラフ、 第９図はプローブ法の測定装置の説明図、 第10図はプローブ法により得られたプローブ特性図、 第11図は光干渉法の測定装置の説明図、 第12図はその光干渉法により得られる干渉縞の説明図、 第13図は光ヘテロダイン法による測定装置の説明図、 である。 １……レーザー光源 ２……ハーフミラー ３……全反射ミラー ４……変調器 ５……全反射ミラー ６……ハーフミラー ７……プラズマ装置 10……光検出器 12……復調回路
光学系の原理を説明するための図、 第２図は本発明に係わる電子密度測定装置の実施例を示
す測定光学系図、 第３図は第２図に示す電子密度測定装置によっての測定
結果の一例を示すグラフ、 第４図はその測定回路の一例を示す図、 第５図はスペクトル分布を示す図、 第６図はその測定回路の詳細例を示す図、 第７図は本発明に係わる電子密度測定装置の他の例を示
す測定光学系図、 第８図は第７図に示す電子密度測定装置の効用を説明す
るためのグラフ、 第９図はプローブ法の測定装置の説明図、 第10図はプローブ法により得られたプローブ特性図、 第11図は光干渉法の測定装置の説明図、 第12図はその光干渉法により得られる干渉縞の説明図、 第13図は光ヘテロダイン法による測定装置の説明図、 である。 １……レーザー光源 ２……ハーフミラー ３……全反射ミラー ４……変調器 ５……全反射ミラー ６……ハーフミラー ７……プラズマ装置 10……光検出器 12……復調回路
Claims (4)
- 【請求項１】１台のレーザー発振器から出射されたレー
ザー光を二分割して一方の分割レーザー光を光変調器を
用いて一定周波数で変調し、他方の分割レーザー光をプ
ラズマの中に導き、その他方の分割レーザー光をプラズ
マ電子密度による屈折率の変化に基づき変調させ、その
プラズマの中を通ってきた他方の分割レーザー光とその
一方の分割レーザー光とを干渉させて受光器に導き、そ
の受光器から出力される干渉ビート信号を復調して、プ
ラズマ中の電子密度を測定することを特徴とする電子密
度測定装置。 - 【請求項２】前記プラズマの屈折率変化によって生じる
光学距離の変化を検出して電子密度を測定することを特
徴とする請求項１に記載の電子密度測定装置。 - 【請求項３】電子密度の時間的変化に伴う屈折率の変化
によって生じる光学距離の時間的変化を検出してリアル
タイムで電子密度変化を測定することを特徴とする請求
項１に記載の電子密度測定装置。 - 【請求項４】測定対象としてのプラズマが外部に配置さ
れ、プラズマの背後に平面反射鏡が配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の電子密度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1296336A JPH0625736B2 (ja) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | 電子密度測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1296336A JPH0625736B2 (ja) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | 電子密度測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03156346A JPH03156346A (ja) | 1991-07-04 |
| JPH0625736B2 true JPH0625736B2 (ja) | 1994-04-06 |
Family
ID=17832224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1296336A Expired - Lifetime JPH0625736B2 (ja) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | 電子密度測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0625736B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4933860B2 (ja) * | 2006-08-21 | 2012-05-16 | 国立大学法人名古屋大学 | プラズマ電子状態測定装置および方法 |
| JP5854381B2 (ja) * | 2011-12-15 | 2016-02-09 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 | 算出装置、算出方法、算出プログラム |
| KR101357883B1 (ko) * | 2011-12-30 | 2014-02-04 | 한국원자력연구원 | 시간 분해능을 이용한 다중 간섭 장치 |
| US9746375B2 (en) * | 2014-04-08 | 2017-08-29 | Yokogawa Electric Corporation | Systems, methods, and apparatus for optical noise management in optical spectroscopy |
-
1989
- 1989-11-14 JP JP1296336A patent/JPH0625736B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03156346A (ja) | 1991-07-04 |
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