CN110319940A - 高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***，该激光光纤干涉仪诊断***采用光纤耦合器，减少了开放式光束***中光学平台及其它光学器件的使用，进而结构简单，成本低。并且，该激光光纤干涉仪诊断***利用光纤的可弯曲和易扩展特性，可使光电探测器足够远离待测等离子体区域，避免了等离子体产生过程的电磁干扰对测量的影响。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体密度诊断技术领域，更具体地说，涉及一种高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***。
背景技术
干涉测量法作为一种“非入侵式”测量等离子体密度的方法已经十分成熟，干涉法测量等离子体密度的干涉仪有很多种类型，可大致分为两类：空间分辨干涉仪和时间分辨干涉仪。
目前用于测量等离子体密度的干涉仪通常被构建为开放式光束***，即该***中的相干光在自由空间中传播，其主要具有反射镜、分束器和探测器等器件。
但是，在诸多情况下，开放式干涉仪对等离子体密度演变的准确记录十分困难，特别是等离子体密度变化幅度很小时，条纹偏移非常小，这就意味着需要干涉仪在时间尺度上非常稳定，稳定的时间尺度需远大于研究中的时间，用于消除背景噪声，如外部支撑结构的机械振动和光束传播光路中气流的干扰。为了消除这些干扰，开放式光束干涉仪***需要固定在消除振动的大型光学平台上，甚至还需要将光路放置于隔绝周围空气的管道中。
并且，用于测量高密度等离子体的激光位于可见光及近红外波段，传统上开放式光束干涉仪***使用气体激光器，如He-Ne激光器进行干涉实验，由于激光器波长展宽主要来源于激光器激励过程中的能级细微变化，即与能级***的热噪声密切相关，传统气体激光器的热噪声很大导致出射激光的频率(波长)展宽较宽，通常能达到100MHz以上，无法进行零拍测量等离子体密度，为了降低激光展宽需要额外增加精密的Fabry-Perot***进行滤波。
另外，采用外差法进行等离子体密度测量的技术可以降低激光源的展宽要求，但是，需要增加频率展宽很窄的声光调制器(一般调制频率为40MHz-80MHz，展宽小于100Hz)，参考光和待测光进入混频器进行混频，再经过I-Q鉴相器进行相位解调，该外差法方案结构复杂，价格昂贵，进而导致测量等离子体密度的干涉仪结构复杂，且价格昂贵。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***，技术方案如下：
一种高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***，所述激光光纤干涉仪诊断***包括：激光器、第一光纤耦合器、衰减器、第一光功率计、第二光功率计、第二光纤耦合器、第一至第三光电探测器以及信号处理装置；
其中，所述激光器用于输出相干激光；
所述第一光纤耦合器用于将所述相干激光分束为信号光束和参考光束；
所述信号光束用于依次通过待测等离子体区域、所述第一光功率计和所述第二光纤耦合器；
所述参考光束用于依次通过所述衰减器、所述第二光功率计和所述第二光纤耦合器；
所述第二光纤耦合器用于将三路输出端分别连接至所述第一至第三光电探测器；
所述信号处理装置用于对所述第一至第三光电探测器的输出电压信号进行解析以获得所述待测等离子体的密度参数；
其中，通过调节所述衰减器以使进入所述第二光纤耦合器的所述信号光束的光强和所述参考光束的光强相等。
优选的，在上述激光光纤干涉仪诊断***中，所述激光器为超窄线宽激光器；
所述超窄线宽激光器用于从单模光纤中输出所述相干激光。
优选的，在上述激光光纤干涉仪诊断***中，所述超窄线宽激光器的线宽小于3kHz。
优选的，在上述激光光纤干涉仪诊断***中，所述第一光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
优选的，在上述激光光纤干涉仪诊断***中，所述第二光纤耦合器为3×3光纤耦合器。
优选的，在上述激光光纤干涉仪诊断***中，所述3×3光纤耦合器的三路输出端的三路输出信号相差120°。
优选的，在上述激光光纤干涉仪诊断***中，所述第一至第三光电探测器为高速低噪声的InGaAs光电探测器。
优选的，在上述激光光纤干涉仪诊断***中，所述激光光纤干涉仪诊断***还包括：准直透镜；
其中，所述信号光束经过所述准直透镜处理后，再依次通过待测等离子体区域、所述第一光功率计和所述第二光纤耦合器。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
该激光光纤干涉仪诊断***采用光纤耦合器，减少了开放式光束***中光学平台及其它光学器件的使用，进而结构简单，成本低。
并且，该激光光纤干涉仪诊断***利用光纤的可弯曲和易扩展特性，可使光电探测器足够远离待测等离子体区域，避免了等离子体产生过程的电磁干扰对测量的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***的结构示意图；
图2为本发明实施例给出待测等离子体密度发生变化时激光干涉仪给出的原始电压信号示意图；
图3为本发明实施例通过相位差公式计算得出的相位差示意图；
图4为本发明实施例提供的不同线宽的激光器的信号对比示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***的结构示意图。
所述激光光纤干涉仪诊断***包括：激光器11、第一光纤耦合器12、衰减器13、第一光功率计14、第二光功率计15、第二光纤耦合器16、第一至第三光电探测器17以及信号处理装置18；
其中，所述激光器11用于输出相干激光；
所述第一光纤耦合器12用于将所述相干激光分束为信号光束和参考光束；
所述信号光束用于依次通过待测等离子体区域19、所述第一光功率计14和所述第二光纤耦合器16；
所述参考光束用于依次通过所述衰减器13、所述第二光功率计15和所述第二光纤耦合器16；
所述第二光纤耦合器16用于将三路输出端分别连接至所述第一至第三光电探测器17；
所述信号处理装置18用于对所述第一至第三光电探测器17的输出电压信号进行解析以获得所述待测等离子体的密度参数；
其中，通过调节所述衰减器13以使进入所述第二光纤耦合器16的所述信号光束的光强和所述参考光束的光强相等。
在该实施例中，所述光电探测器的输出电压信号与光的功率成正比，三个光电探测器的功率转电压系数可事先标定出相对大小，通过对第一至第三光电探测器的输出电压信号进行解析获得干涉仪相位差Δφ(t)，进而获得所述待测等离子体的弦平均密度
其中，相位差和弦平均密度满足以下关系：
第一至第三光电探测器的输出电压信号P1、P2和P3以及相位差满足以下关系：
其中，λ为入射激光波长；
L为电磁波穿透等离子体厚度；
re为电子经典半径2.82×10-15m。
如图2和图3所示，图2为本发明实施例给出待测等离子体密度发生变化时激光干涉仪给出的原始电压信号示意图，图3为本发明实施例通过相位差公式计算得出的相位差示意图，其与实际结构相当，即表明该激光光纤干涉仪诊断***测量等离子体密度的可行性。
并且，该激光光纤干涉仪诊断***采用光纤耦合器，减少了开放式光束***中光学平台及其它光学器件的使用，进而结构简单，成本低。
以及，该激光光纤干涉仪诊断***利用光纤的可弯曲和易扩展特性，可使光电探测器足够远离待测等离子体区域，避免了等离子体产生过程的电磁干扰对测量的影响。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述激光器为超窄线宽激光器；
所述超窄线宽激光器用于从单模光纤中输出所述相干激光。
所述超窄线宽激光器的线宽小于3kHz。
在该实施例中，其光路连接用的光纤均采用单模光纤，激光器的波长为1550nm，在该波长下光纤的损耗最小，且与开放式光束***中使用的532nm或652nm的激光器相比较，探测灵敏度更高。
并且，参考图4，图4为本发明实施例提供的不同线宽的激光器的信号对比示意图，线宽小于3kHz的超窄线宽激光器相比较3MHz线宽的激光器拥有更低的相位噪声水平，低了一个多量级，即对于密度变化拥有更高的分辨能力，这也是本发明获得高信噪比密度信号的关键。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第二光纤耦合器为3×3光纤耦合器。
所述3×3光纤耦合器的三路输出端的三路输出信号相差120°。
在该实施例中，采用3×3光纤耦合器进行相位差检测，是整个***的关键之一，本发明采用的是零拍测量，传统的干涉仪零拍测量无法判断密度变化方向，因此在本发明中采用3×3光纤耦合器能给出干涉相位差的正交输出，即可以在任意时间段内，确定相位差是增加还是减少，并且解决了传统零拍测量在零相位附件相位检测精度低的问题，提供了更高的相位检测精度。
并且，激光波长1550nm落在光电探测器的波长范围内，因光功率达到30mW以上，该光电探测器无需增加放大功能，进一步降低了***结构的复杂度，3×3光纤耦合器经过优化，可使最终的最小测量密度约为1018m-3。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第一光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述第一至第三光电探测器为高速低噪声的InGaAs光电探测器。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述激光光纤干涉仪诊断***还包括：准直透镜；
其中，所述信号光束经过所述准直透镜处理后，再依次通过待测等离子体区域、所述第一光功率计和所述第二光纤耦合器。
下面对其具体的一种硬件实施方式进行举例说明：
其中，所述激光器的型号为UNL-1550-50-FC/APC-B-SM，线宽小于3kHz。
所述2×2光纤耦合器的型号为1310/1550-BWC-2×2。
所述3×3光纤耦合器的型号为1550-SSC-3×3。
所述衰减器的型号为VOA。
所述第一光功率计和所述第二光功率计的型号相同，为PM20CH。
所述第一至第三光电探测器的型号相同，为DET01CFC/M。
所述光纤的型号为SMF-28/FC-APC。
所述准直透镜的型号为PAF2-2C。
以上对本发明所提供的一种高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种高密度等离子体密度测量的激光光纤干涉仪诊断***，其特征在于，所述激光光纤干涉仪诊断***包括：激光器、第一光纤耦合器、衰减器、第一光功率计、第二光功率计、第二光纤耦合器、第一至第三光电探测器以及信号处理装置；
其中，所述激光器用于输出相干激光；
所述第一光纤耦合器用于将所述相干激光分束为信号光束和参考光束；
所述信号光束用于依次通过待测等离子体区域、所述第一光功率计和所述第二光纤耦合器；
所述参考光束用于依次通过所述衰减器、所述第二光功率计和所述第二光纤耦合器；
所述第二光纤耦合器用于将三路输出端分别连接至所述第一至第三光电探测器；
所述信号处理装置用于对所述第一至第三光电探测器的输出电压信号进行解析以获得所述待测等离子体的密度参数；
其中，通过调节所述衰减器以使进入所述第二光纤耦合器的所述信号光束的光强和所述参考光束的光强相等。
2.根据权利要求1所述的激光光纤干涉仪诊断***，其特征在于，所述激光器为超窄线宽激光器；
所述超窄线宽激光器用于从单模光纤中输出所述相干激光。
3.根据权利要求2所述的激光光纤干涉仪诊断***，其特征在于，所述超窄线宽激光器的线宽小于3kHz。
4.根据权利要求1所述的激光光纤干涉仪诊断***，其特征在于，所述第一光纤耦合器为2×2光纤耦合器。
5.根据权利要求1所述的激光光纤干涉仪诊断***，其特征在于，所述第二光纤耦合器为3×3光纤耦合器。
6.根据权利要求5所述的激光光纤干涉仪诊断***，其特征在于，所述3×3光纤耦合器的三路输出端的三路输出信号相差120°。
7.根据权利要求1所述的激光光纤干涉仪诊断***，其特征在于，所述第一至第三光电探测器为高速低噪声的InGaAs光电探测器。
8.根据权利要求1所述的激光光纤干涉仪诊断***，其特征在于，所述激光光纤干涉仪诊断***还包括：准直透镜；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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