[發明專利]一種長時間測量等離子體密度的雙色激光光纖干涉儀

在審

• 申請號: 202010186827.1
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111278205A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 張森;蘭濤;莊革;劉萬東
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H05H1/00
• 分類號: H05H1/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 鄧治平

本發明公開了一種長時間測量等離子體密度的雙色激光光纖干涉儀，由1550nm和1310nm激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、準直器、衰減器、光電探測器、波分復用器、補償光纖、PZT位移器和采集控制模塊組成。本發明雙色激光光纖干涉儀克服了傳統單色光纖干涉儀在等離子體密度測量領域只能短時間測量缺點，測量出環境帶來的相位漂移并且使用PZT位移器進行補償，測量時間從一般光纖干涉儀的1毫秒內擴展到10秒以上，整個干涉儀構成簡便，光路部分為全光纖結構，易安裝且成本可控。

技術領域

本發明涉及等離子體密度診斷的技術領域，特別涉及一種長時間測量等離子體密度的雙色激光光纖干涉儀。

背景技術

干涉法測量是一種十分成熟的“非入侵式”測量等離子體密度手段。用干涉法測量等離子體密度的裝置有很多種，可大致分為兩類：空間分辨干涉儀和時間分辨干涉儀。傳統的干涉儀主要由光學透鏡組組成，新型的干涉儀由光纖器件組成。

雖然光纖干涉儀可以避免傳統幾何光學透鏡組干涉儀帶來的昂貴且龐大和搭建不易的問題，但是新的問題也隨之產生。自由空間光路被光纖光路代替的同時，會由于光纖被環境參數干擾引入低頻的相位漂移。干涉儀測量的是等離子體改變所穿過的激光的相位，相位漂移的引入將會使得等離子體密度測量中存在隨時間改變的漂移信號，極大程度地限制光纖干涉儀的應用。

相位漂移主要是由光纖周圍環境溫度擾動和機械傳導震動導致光纖的長短發生改變，因此激光在光纖中傳播的距離也發生了改變。這樣的改變在相位上是一個低頻的漂移信號，在脈沖短時間高密度等離子體(例如等離子體槍)中并不影響測量，可以通過減去低頻的平衡量來獲得密度波形。但是在其他長時間放電裝置，如托克馬克裝置中等離子體維持時間持續在1～100秒，甚至達到小時量級，低頻的漂移直接影響到我們密度信號的測量。

在原有的激光光纖干涉儀上引入雙色測量方法，通過PZT位移器抵消由于光纖改變帶來的低頻漂移量，實現長時間高密度等離子密度的測量。

發明內容

本發明提供一種長時間測量等離子體密度的雙色激光光纖干涉儀，主要解決激光光纖干涉儀由于環境條件引起的低頻相位漂移導致無法長時間測量等離子體的問題。

本發明采用的技術方案為：一種長時間測量等離子體密度的雙色激光光纖干涉儀，由1550nm和1310nm激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、準直器、衰減器、光電探測器、波分復用器、補償光纖、PZT位移器和采集控制模塊組成，1550nm和1310nm激光器分別連接在2×2耦合器輸入端，2×2耦合器分光比1:1，兩束1550/1310nm混合在一起的光線出射，一路光依次穿過衰減器，準直透鏡，等離子體，準直透鏡，連接到3×3耦合器的一個輸入端，稱為信號光，另一束光穿過衰減器，補償光纖，PZT位移器，連接到3×3耦合器的另一個輸入端，稱為參考光，當穿過等離子體的信號光和經過補償的參考光進入3×3耦合器后，在3×3耦合器的輸出端連接3個波分復用器，每個波分復用器后連接兩個光電探測器，光電探測器后接信號采集模塊和PZT控制模塊。PZT控制模塊與PZT位移器相連，形成反饋控制；

準直透鏡是為了使激光在光纖與自由空間之間自由轉換，使激光穿過自由空間等離子體，兩個衰減器是為了使兩束光線進入3×3耦合器的功率大致相等，補償光纖是使兩路光的光程差相等，PZT位移器能夠產生μm級別的位移，用于小范圍調節光纖長度，波分復用器是將混合在一起的經過干涉后的1310nm與1550nm混合光分開輸入光電探測器，光電探測器采用6個InGaAs半導體探測器，用于將光信號轉換成電壓信號，信號采集模塊和PZT控制模塊是將電信號采集存儲并計算出等離子體密度信號和環境帶來的光纖位移，同時控制PZT位移器進行補償。