一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置的制作方法

本发明属于光学测试领域，特别涉及激光干涉测试系统，具体地提供一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置。

背景技术：

1、等离子体密度是等离子体物理研究中一个很重要的物理量，其时空分布关系到等离子体的各种物理现象的研究，测量等离子体电子密度主要利用电磁波在等离子体中的传播特性和技术。激光干涉仪是等离子体实验中测量电子密度时空分布的一个常用方法，用干涉的方法测量等离子体密度是通过测量等离子体的折射率来实现的。

2、激光干涉仪工作原理如图1所示，光源发出的光束分束后，分成方向相互垂直的两束光，分别定义为探测光束和参考光束，探测光经过待测等离子体区域后，相位信息发生改变。携带相位信息的探测光束与参考光束在光探测器处进行拍频，由此获得含相位变化信息的中频调制电信号，通过相位差计等仪器进行相位-密度反演计算，获得聚变装置内等离子体密度数据，等离子体密度激光干涉检测中涉及两个重要公式：

3、

4、其中：nc为特定激光波长下等离子体截止密度，为特定波长激光穿过等离子体光程下相位改变量。

5、中国科学院等离子体研究所童兴德等人发表的论文《测量托卡马克装置等离子体电子密度分布的远红外激光干涉仪》与中国科学技术大学王二辉硕士毕业论文《east三道hcn激光干涉仪的研制》中均对基于转动光栅的空间激光干涉仪设计原理进行详细阐述。图2所示为hcn激光干涉仪原理结构，hcn激光束首先被分束片分成a、b两束激光，其中激光束a经过光栅的频率调制，由频率w变为w+δw，然后再被分为两束，分别与激光束b1、b2合并后进入探测器d1、d2。其中光束b2经过等离子体，因此产生额外相移。假设光束a1、a2、b1、b2全部入射到对应的探测器上，则探测器d1上的信号为：

6、x＝[a1cos(w+δw)t+b1 coswt]2

7、探测器d2上的信号为：

8、

9、实际中的探测器只响应低频信号，来不及不响应高频信号，以上两式低频的拍频信号为：

10、x＝x0 cosδwt

11、

12、如图3所示，用相位差计比较两个探测器信号，可以得出δt，从而求出两个信号的相位差：

13、

14、随着磁约束聚变的发展，等离子密度都有了很大的提高，相应激光器也要向短波方向发展(电磁波截止密度nc∝λ-2)，且出射功率也要相应提高，大功率可见光波段的激光干涉装置未见相关报道。另外聚变装置尺寸也越来越大，为全面了解聚变装置内部等离子体各处密度参数，探测光路数量也随之增加。现有报道相关检测装置大都为空间光路结构，涉及光路器件种类繁多、数量庞大、结构复杂，不便于光路的设计与调试。

技术实现思路

1、鉴于上述实际问题，我们提出了一种基于光纤及光纤材料为基础的可见光波段的多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置。主要包括光路、电路两部分，含n个相同功能的检测通道，以其中一个检测通道来阐述系统组成。光路部分含单纵模激光器、u型光纤台隔离器、声光调制器、1分n光纤分路器a、光纤准直器a、光纤准直器b、1分n光纤分路器b、1分2光纤分路器、光电探测器，电路部分含射频信号源、定向耦合器、1分n信号功分器、正交解调模块。

2、所述单纵模激光器产生可见光窄线宽连续激光并通过尾纤输出；所述u型光纤台隔离器有效保护激光器，隔离后级逆向散射光对激光器谐振腔伤害，且可通过光纤准直器对链路光功率实施可控调节，避免后级光电器件功率过饱和；所述声光调制器对输入可见光中频调制，并输出0级和1级两级衍射光；所述1分n光纤分路器a实现0级衍射光的能量n路均分；所述光纤准直器a实现0级衍射光从光纤到空间的转换；所述光纤准直器b实现0级衍射光从空间到光纤的转换；所述1分n光纤分路器b实现1级衍射光的能量n路均分；所述1分2光纤分路器实现两级衍射光的合路；所述光电探测器对两级衍射光进行光学拍频与检测，获取含等离子体密度信息的中频信号；所述射频信号源为装置工作提供稳定频率的调制信号；所述定向耦合器实现射频信号的两路功分，其中功率较小的一路作为声光调制器的输入调制信号，功率较大的一路作为正交解调模块的输入参考信号；所述1分n信号功分器实现参考信号的n路能量均分；所述正交解调模块完成中频信号的解调输出。

3、优选地，所述单纵模激光器中心波长532nm±1nm。

4、优选地，所述u型光纤台隔离器为空间光型，配装u型光纤台，隔离器中心波长532nm，隔离度≥35db，承载功率≥3w，通过调节u型台准直器的定位螺丝可适当改变链路光功率，保护后级器件输入光功率不至饱和。

5、优选地，所述声光调制器中心频率110mhz，衍射效率≥85％。

6、优选地，所述1分n光纤分路器、1分2光纤分路器均采用光纤拉椎工艺制作。

7、优选地，所述光电探测器工作波长范围覆盖532nm，响应度≥0.5a/w。

8、优选地，所述射频信号源输出频率110mhz。

9、优选地，所述定向耦合器直通和耦合输出功率比耦合输出功率比按照实际检测路数与信号源输出功率计算确定。

10、更优选地，所述以上所有光纤器件尾纤均为单模保偏光纤。

11、更优选地，所述iq正交解调模块采用零中频设计，输入信号频率范围110mhz±25mhz，iq解调信号输出相位差≤90°±1.5°，输出平均电压：≤3mv。

12、本发明具有以下有益技术效果：所述的一种光纤型时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，可实现对如下要求的等离子体状态检测：

13、(1)诊断速度区间为50-150km/s；

14、(2)密度区间为1014-1021cm-3，空间尺寸为10cm×10cm；

15、(3)诊断通道数：≥10

16、装置中采用功率500mw，中心波长532nm可见光波段激光器作为光源，将等离子体截止密度提高至1021cm-3。大量使用光纤分路器、光纤准直器等光纤器件替代传统空间光路各种镜面，实现光的分束与传输，降低光路设计复杂度，方便光路调试与改进。

技术特征：

1.一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于，主要包括光路、电路两部分，含n个相同功能的检测通道，以其中一个检测通道来阐述系统组成，光路部分含单纵模激光器、u型光纤台隔离器、声光调制器、1分n光纤分路器a、光纤准直器a、光纤准直器b、1分n光纤分路器b、1分2光纤分路器、光电探测器；电路部分含射频信号源、定向耦合器、1分n信号功分器、正交解调模块。

2.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述单纵模激光器产生可见光窄线宽连续激光并通过尾纤输出；所述u型光纤台隔离器有效保护激光器，隔离后级逆向散射光对激光器谐振腔伤害，且可通过光纤准直器对链路光功率实施可控调节，避免后级光电器件功率过饱和；所述声光调制器对输入可见光中频调制，并输出0级和1级两级衍射光；所述1分n光纤分路器a实现0级衍射光的能量10路均分；所述光纤准直器a实现0级衍射光从光纤到空间的转换；所述光纤准直器b实现0级衍射光从空间到光纤的转换；所述1分n光纤分路器b实现1级衍射光的能量10路均分；所述1分2光纤分路器实现两级衍射光的合路；所述光电探测器对两级衍射光进行光学拍频与检测，获取含等离子体密度信息的中频信号；所述射频信号源为装置工作提供稳定频率的调制信号；所述定向耦合器实现射频信号的两路功分，其中功率较小的一路作为声光调制器的输入调制信号，功率较大的一路作为正交解调模块的输入参考信号；所述1分n信号功分器实现参考信号的n路能量均分；所述正交解调模块完成中频信号的解调输出。

3.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述单纵模激光器中心波长532nm±1nm。

4.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述u型光纤台隔离器为空间光型，配装u型光纤台，隔离器中心波长532nm，隔离度≥35db，u型台准直器的定位螺丝可调节链路光功率。

5.根据权利要求1所述的一种一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述声光调制器调制频率110mhz。

6.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述1分n光纤分路器、1分2光纤分路器均采用光纤拉椎工艺制作。

7.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述光电探测器工作波长范围覆盖532nm，响应度≥0.5a/w。

8.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述射频信号源输出频率110mhz。

9.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述定向耦合器直通、耦合输出功率比按照实际检测路数与信号源输出功率计算确定。

10.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述iq正交解调模块采用零中频设计，输入信号频率范围110mhz±25mhz。

11.根据权利要求1所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述所有光纤器件尾纤均单模光纤。

12.根据权利要求2所述的一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，其特征在于：所述所有光纤器件输入、输出尾纤连接器样式均为fc/apc，也可通过光纤熔接方式直接将光路连接起来。

技术总结本发明提供一种光纤型多通道时间分辨激光干涉检测等离子体密度装置，装置主要包括光路、电路两部分，含N个相同功能的检测通道，仅以其中一个检测通道来阐述系统组成。相较于传统多路空间光路型激光干涉仪复杂的光路设计，本发明使用光纤及器材来实现传输及功率分配功能，简化了光路布局，缩小了系统体积，减轻了装置的重量，提高了装置运行可靠性，多通道检测需求下优势明显；装置激光中心波长532nm，处于可见光波段，相较于传统远红外激光干涉仪，可测等离子体截止密度可达10<supgt;21</supgt;cm<supgt;‑3</supgt;。通过检测穿透等离子体区域前后的激光相位变化，线积分反演出等离子体密度信息，实现对聚变装置等离子体密度时间分辨测量。技术研发人员：丁卫星,邹志勇受保护的技术使用者：安徽中科太赫兹科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/18