专利名称：基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于核聚变等离子体诊断，具体涉及一种基于光栅调制相位比较等离子体 磁场测量方法和装置。
背景技术：
在受控核聚变实验研究中，等离子体极向磁场是研究等离子体电子热输运，粒子 输运，高约束模式运行以及等离子体剖面控制与运行的最关键的物理参量之一。磁聚变装 置的特性是拥有一个强大的环向磁场用来约束和限制等离子体，而本发明需要测量的等离 子体极向磁场是一个混杂在同一系统中的与环向磁场小1到2个数量级的小信号，如何精 确地测量这种小信号，特别是在复杂的核聚变实验装置中实现这种小信号测量是国际聚变 界聚焦的研究热点之一。目前等离子体极向磁场的测量主要有动态的斯塔克效应和激光偏振干涉测量两 种方法。动态的斯塔克效应方法必须借助于高造价的中性束源，目前这种高质量的诊断源 成本较高、制造工艺复杂。激光偏振干涉测量依靠的是干涉信号的幅度测量，由于这种方法 采用的激光器是电激励的气体放电远红外激光器，因而测量准确性受到激光功率的不稳定 性和工作环境的电磁干扰的限制。

发明内容
本发明的目的是针对极向磁场测量受到的限制，提供一种步骤简单、成本低的基 于光栅调制相位比较的等离子体磁场测量方法与装置。本发明的技术方案是一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，包括如下步骤—、利用激光发射器得到一束光束；二、将步骤一中的光束分为三组干涉光路，同时得到不经过等离子体的参考 路差拍信号Jcos^、等离子体密度差拍信号60)8(0 +沟、和等离子体极向场差拍信号 C cos(i// + φ)；三、利用步骤二中密度差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角 度Φ，根据公式Φ =2. 82 X10_15 λ f nedz得到等离子体的电子密度的值~，其中λ为光 束的波长；四、利用步骤二中极向场差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到 角度Ψ，根据公式Ψ =2. 62 X IO-13 λ 2 f neBzdz，并通过Abel反演计算模拟获得极向磁场 Bz的值，其中λ为光束的波长，ne为等离子体的电子密度。如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其中所述步骤 二中的参考路差拍信号JCOS0、等离子体密度差拍信号60^(0 +妁、和等离子体极向场差 拍信号C C0S(Y +妁通过下述方式同时得到将步骤一中的光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号再和未经过变化的一路信号进行干涉，得到参考路差拍信号Jcos识；将步骤一中的光束分为两路，使一路射入等离子体并按原路射出等离子体，使另 一路经过调制变为低频载波信号，再将两路信号进行干涉，得到等离子体密度差拍信号 B cos(彡 + φ)；将步骤一中的光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号，再将低频 载波信号旋转90度的线偏振光，线偏振光与步骤一中的光束分的另一路相遇形成正交的 两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光转化为左旋和右旋偏振光，左旋和右旋偏振光 同时射入等离子体并按原路射出等离子体，得到等离子体极向场差拍信号C C0S(^ +妁；如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其中所述步骤 一中的光束为远红外高斯光束。如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其中所述的经 调制后的低频载波信号的频率为IOkHz IOOkHz。一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括一个激光器、激光器发出的光束经分束器、反射镜、闪耀光栅、石英晶片、等离子体 和探测器后形成三组干涉光路光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅，再将两路光束进行干涉，干涉 后的信号由探测器获取；光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅，另一路射入等离子体并由等 离子体内壁反射镜按原路射出等离子体，再将两路光束进行干涉，干涉后的信号由探测器 获取；光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅变为低频载波信号，再将低频 载波信号经过第一石英波片成为旋转90度的线偏振光，该线偏振光与另一路相遇形成正 交的两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光经过第二石英晶片转化为左旋和右旋偏振 光，左旋和右旋偏振光同时射入等离子体一端并按原路射出等离子体，射出的信号由探测 器获取。一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括一台激光器和等离子 体，所述激光器与等离子体一端的连线上依次置有第一分束器、第二分束器、第六分束器和 第七分束器，放置方向使光束呈45度角入射和反射；所述激光器与等离子体另一端的连 线上依次置有第一反射镜、闪耀光栅、第四分束器、第一石英晶片、第五分束器、第二石英晶 片、第八分束器，放置方向使光束呈45度角入射和反射；并且第一反射镜中心与第一分束 器中心对应，第二分束器与第四分束器中心对应，第六分束器与第五分束器中心对应，第八 分束器与第七分束器中心对应；在第二分束器与第四分束器的中心连线上置有第三分束 器，在第七分束器垂直下方与第三分束器的水平连线上置有第二反射镜。如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其中所述激光 器为电激励HCN分子波导激光器或DCN氰化氘激光器。如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其中所述闪耀 光栅为柱面旋转光栅，将激光束调制为低频载波信号。如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其中所述第一 石英波片为1/2玻片，第二石英波片为1/4玻片。
如上所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其中所述等离 子体为上下对称的等离子体。本发明的有益效果是1.本发明通过构成三组干涉光路得到不经过等离子体的参考路差拍信号、等离子 体密度差拍信号、和等离子体极向场差拍信号，通过相位比较可以有效得到等离子体极向 磁场小信号，避免了过去振幅信号测量带来的激光功率扰动及环境影响的危害，使测量更 加可靠和可行。2.本发明通过利用光栅得到低频调制信号，可以简化测量装置的结构并减少成 本，并使探测器有效接收。3.本发明通过石英晶片将线偏振的激光信号转变为左旋和右旋圆偏振的信号进 而得到含有等离子体极向磁场的信息，使低噪声探测器可以有效接收带有极向场信息的差 拍信号；并且由于采用左旋和右旋圆偏振光同时进入等离子体并两次通过等离子体，系统 受装置的振动影响将消除，测量系统的测量精度将提高一倍。


图1是本发明提供的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量系统框图；图中1.激光器，2.第一分束器，3.第一反射镜，4.闪耀光栅，5.第二分束器， 6.第三分束器，7.第四分束器，8.第一石英晶片，9.参考路探测器，10.第五分束器，11.第 六分束器，12.密度信号探测器，13.第七分束器，14.第二反射镜，15.第八分束器，16.第二 石英晶片，17.极向场探测器，18.等离子体。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明提出的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁 场测量系统进行进一步的介绍一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，包括如下步骤一、利用激光器得到一束光束，该束光通常为远红外高斯光束；二、将步骤一中的光束分为三组干涉光路，同时得到不经过等离子体的参考 路差拍信号Jcos^、等离子体密度差拍信号60)8(0 +沟、和等离子体极向场差拍信号 Cco^+ φ)，具体分为如下步骤(—)将步骤一中的远红外高斯光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载 波信号与未经过变化的另一路信号进行干涉，得到参考路差拍信号Wcos识；(二)将步骤一中的远红外高斯光束分为两路，使一路射入等离子体并按原路射 出等离子体，使另一路经过调制变为低频载波信号，再将两路信号进行干涉，得到等离子体 密度差拍信号万COS0 +妁；(三)将步骤一中的远红外高斯光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载 波信号，再将低频载波信号旋转90度的线偏振光，该线偏振光与步骤一中的远红外高斯光 束分的另一路相遇形成正交的两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光转化为左旋和右 旋偏振光，左旋和右旋偏振光同时射入等离子体并按原路射出等离子体，得到等离子体极 向场差拍信号CcosO+识)；
三、利用步骤二中密度差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角 度Φ，根据公式Φ =2.82Χ10_15λ f nedz得到等离子体的电子密度的值~，其中λ为远 红外高斯光束的波长。四、利用步骤二中极向场差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到 角度Ψ，根据公式Ψ =2. 62 X ΙΟ"13 λ 2 f neBzdz，并通过Abel反演计算模拟获得极向磁场 Bz的值，其中λ为远红外高斯光束的波长，为等离子体的电子密度。如图1所示，一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括一个激光器1 可采用能够连续输出的电激励HCN分子波导激光器，输出波长为 337微米，或使用DCN氰化氘激光器；激光器发出的光束为远红外高斯光束；一个上下对称结构的等离子体18，所述激光器1与等离子体18 —端A的连线上依次置有第一分束器2、第二分束器 5、第六分束器11和第七分束器13，放置方向使光束呈45度角入射和反射；所述激光器与 等离子体另一端B的连线上依次置有第一反射镜3、闪耀光栅4、第四分束器7、第一石英晶 片8、第五分束器10、第二石英晶片16、第八分束器15，放置方向使光束呈45度角入射和反 射；并且第一反射镜3中心与第一分束器2中心对应，第二分束器5与第四分束器7中心对 应，第六分束器11与第五分束器10中心对应，第八分束器15与第七分束器13中心对应； 在第二分束器5与第四分束器7的中心连线上置有第三分束器6，在第七分束器13垂直下 方与第三分束器6的水平连线上置有第二反射镜14。光路的路径如下激光器1发出的光束经第一分束器2透射和反射为主光束和副 光束，副光束经第一反射镜3反射后进入闪耀光栅4得到载波信号，该闪耀光栅4为柱面旋 转光栅，可将连续的激光调制为IOkHz IOOkHz的载波信号；载波信号依次经第四分束器 7反射、第三分束器6、第二分束器5透射与经过第二分束器5反射的主光束干涉，干涉后信 号由参考路探测器9接收；主光束经过第二分束器5透射后由第六分束器11透射和反射为密度测量束和极 向磁场测量束，密度测量束经第七分束器13透射后射入等离子体18上部，经等离子体18 内壁反射镜将信号反射回第七分束器13并反射；调制束在第四分束器7经反射后，再经第 二反射镜14反射、第七分束器13透射与经第七分束器13反射的密度测量束干涉，干涉后 信号由密度信号探测器12接收；经第四分束器7透射后的调制束经过第一石英晶片8转变为旋转90度的线偏振 光，并由第五分束器10透射；极向磁场测量束经第六分束器11反射后与旋转90度的线偏 振光相遇形成正交的两束线偏振光，正交的两束线偏振光经过第二石英晶片16转化为左 旋和右旋圆偏振光，左旋和右旋圆偏振光射入等离子体18下部，经等离子体18内壁反射镜 将信号反射回第八分束器15并反射，反射后由极向场探测器17接收；其中等离子体18的 上部和下部为对称结构，即A、B端为对称的；所述探测器均应选择低噪声探测器。本发明的工作原理为石英晶片可以根据测量原理将线偏振的激光信号转变为左旋和右旋圆偏振的信 号。由于左旋和右旋圆偏振光通过等离子体的色散关系不同，其折射率的差值含有等离子 体极向磁场的信息。而这种差别可以通过测量路与参考路的差拍信号的相位之减获得。低 噪声探测器可以接收带有极向场信息的差拍信号。
这两束光共线进入等离子体。由于其折射率的差含有极向场的信息，且这个信息 表现在差拍信号的相位中，通过测量路与参考路的相位比较就可获得所要的信息。这种测 量方法避免了过去振幅信号测量带来的激光功率扰动及环境影响的危害，使测量更加可靠 和可行。另外由于采用左旋和右旋圆偏振光同时进入等离子体并两次通过等离子体，系统 受装置的振动影响将消除，测量系统的测量精度将提高一倍。
权利要求
1.一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，包括如下步骤步骤一、利用激光发射器得到一束光束；步骤二、将步骤一中的光束分为三组干涉光路，同时得到不经过等离子体的参考路 差拍信号Jcos识、等离子体密度差拍信号ScosW +沟、和等离子体极向场差拍信号 C cos(i// + φ)；步骤三、利用步骤二中密度差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到角 度Φ，根据公式Φ =2. 82 Χ10_15 λ f nedz得到等离子体的电子密度的值~，其中λ为光 束的波长；步骤四、利用步骤二中极向场差拍信号与步骤二中参考路的差拍信号的相位之差得到 角度Ψ，根据公式Ψ =2. 62 X ΙΟ"13 λ 2 f neBzdz，并通过Abel反演计算模拟获得极向磁场 Bz的值，其中λ为光束的波长，ne为等离子体的电子密度。
2.如权利要求1所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其特征在 于所述步骤二中的参考路差拍信号Jcosp、等离子体密度差拍信号ScosW +妁、和等 离子体极向场差拍信号+妁通过下述方式同时得到将步骤一中的光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号再和未经过变化 的一路信号进行干涉，得到参考路差拍信号Wcos识；将步骤一中的光束分为两路，使一路射入等离子体并按原路射出等离子体，使另 一路经过调制变为低频载波信号，再将两路信号进行干涉，得到等离子体密度差拍信号 B cos(彡 + φ)；将步骤一中的光束分为两路，使其中一路经过调制变为低频载波信号，再将低频载波 信号旋转90度的线偏振光，线偏振光与步骤一中的光束分的另一路相遇形成正交的两束 线偏振光，然后将正交的两束线偏振光转化为左旋和右旋偏振光，左旋和右旋偏振光同时 射入等离子体并按原路射出等离子体，得到等离子体极向场差拍信号+妁。
3.如权利要求1所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其特征在 于所述步骤一中的光束为远红外高斯光束。
4.如权利要求2所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法，其特征在 于所述的经调制后的低频载波信号的频率为IOkHz 100kHz。
5.一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括一个激光器、激光器发出的光束经分束器、反射镜、闪耀光栅、石英晶片、等离子体和探 测器后形成三组干涉光路光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅，再将两路光束进行干涉，干涉后的 信号由探测器获取；光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅，另一路射入等离子体并由等离 子体内壁反射镜按原路射出等离子体，再将两路光束进行干涉，干涉后的信号由探测器获 取；光束由分束器分为两路，使其中一路经过闪耀光栅变为低频载波信号，再将低频载波 信号经过第一石英波片成为旋转90度的线偏振光，该线偏振光与另一路相遇形成正交的 两束线偏振光，然后将正交的两束线偏振光经过第二石英晶片转化为左旋和右旋偏振光， 左旋和右旋偏振光同时射入等离子体一端并按原路射出等离子体，射出的信号由探测器获取。
6.一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，包括一台激光器和等离子 体，所述激光器(1)与等离子体(18) —端的连线上依次置有第一分束器O)、第二分束器 (5)、第六分束器(11)和第七分束器(13)，放置方向使光束呈45度角入射和反射；所述激 光器与等离子体另一端的连线上依次置有第一反射镜(3)、闪耀光栅G)、第四分束器(7)、 第一石英晶片(8)、第五分束器(10)、第二石英晶片(16)、第八分束器(15)，放置方向使光 束呈45度角入射和反射；并且第一反射镜(3)中心与第一分束器O)中心对应，第二分束 器(5)与第四分束器(7)中心对应，第六分束器(11)与第五分束器(10)中心对应，第八分 束器(1 与第七分束器(1 中心对应；在第二分束器(5)与第四分束器(7)的中心连线 上置有第三分束器(6)，在第七分束器(1 垂直下方与第三分束器(6)的水平连线上置有 第二反射镜(14)。
7.如权利要求5或6所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其特 征在于所述激光器为电激励HCN分子波导激光器或DCN氰化氘激光器。
8.如权利要求5或6所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其特 征在于所述闪耀光栅为柱面旋转光栅，将激光束调制为低频载波信号。
9.如权利要求5或6所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其特 征在于所述第一石英波片为1/2玻片，第二石英波片为1/4玻片。
10.如权利要求5或6所述的一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量装置，其特 征在于所述等离子体为上下对称的等离子体。
全文摘要
本发明属于核聚变等离子体诊断，具体涉及一种基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法和装置。目的是针对极向磁场测量受到的限制，提供一种步骤简单、成本低的等离子体磁场测量方法与装置。具体分为一、利用激光发射器得到一束光束；二、将光束分为三组干涉光路，同时得到不经过等离子体的参考路差拍信号、等离子体密度差拍信号和等离子体极向场差拍信号；三、利用密度差拍信号与参考路的差拍信号的相位之差得到等离子体的电子密度；四、利用极向场差拍信号与参考路的差拍信号的相位之差得到极向磁场的值。本发明避免了过去振幅信号测量带来的激光功率扰动及环境影响的危害，使测量更加可靠，并能够提高测量精度。
文档编号G01R33/032GK102129050SQ201010606228
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者周艳, 易江, 邓中朝 申请人:核工业西南物理研究院