[发明专利]一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法及装置

说明书

本发明涉及一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置及方法，所述装置包括：用于发出激光束的激光光源、信号收集透镜组、光纤阵列、信号传输光纤束、光栅光谱仪及二维探测器；所述信号传输光纤束经分束整理并由不锈钢外壳固定后形成固定次序排列的所述光纤阵列；所述光纤束上下逐个排列在光纤支架上；所述的光纤阵列的各个光纤接收端分别接收经收集透镜组成像收集的激光汤姆逊散射信号，所述的信号传输光纤束的另一端耦合输入光栅光谱仪及二维探测器。本发明结构简单并且几乎不增加造价成本，通用性好，和原系统完全相容，不需要单独的数据采集系统。本发明可提高汤姆逊散射系统的数据测量精度，且不影响原系统的空间分辨率等。

技术领域

本发明涉及激光散射诊断技术领域，尤其涉及一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法及装置。

背景技术

激光汤姆逊散射诊断可同时、同区域精确测量电子温度和密度数据，是公认的电子温度和密度分布测量的最精确手段。

目前汤姆逊散射诊断被广泛应用于世界各地的托卡马克和仿星器等磁约束核聚变装置上，典型的有欧洲的JET、美国的DIII-D、日本的LHD和中国的EAST。在国际磁约束核聚变实验堆ITER上也是把汤姆逊散射诊断作为最重要的诊断技术以获得等离子体电子温度和密度数据。由于激光汤姆逊散射信号很弱(单个脉冲只有成百上千个散射光子)、脉冲时间很短，所以对其散射信号的充分收集和利用至关重要。激光脉冲经过激光器到聚变装置真空室的长距离传输，其激光器指向性漂移在测量区变大，加上收集透镜及光纤支架本身的形变，存在光束偏移和散射信号部分或全部移出光纤束接收端面的可能，使接收到的散射信号变弱，造成电子密度测量值比真实值偏低，带来系统误差。

现在主要有两种方式用来核对散射信号经收集透镜后的光斑和光纤接收端面是否完全重合，一种方法是利用可见光和靶板相结合，首先调节并保证可见光和1064nm高能量脉冲激光光路重合，然后通过在散射区特定位置安置靶板，利用同轴、可见指示光打击到靶板的漫反射来模拟汤姆逊散射信号。通过人工识别判断散射信号光斑是否完全进入信号接收光纤。然而这种方法既不够稳定、精确，也不能在脉冲激光散射时刻获得同步监测数据。另一种方法是利用多根光纤布置在光钎支架上并把散射信号引入谱仪和信号探测器，通过探测器获得的数据分析判断散射信号光斑是否完全进入光纤束接收端面，但是这种方法要以损失系统的空间分辨率、降低系统性能为代价，并且额外需要多个谱仪及探测器设备，造价昂贵。此外，每个探测器的灵敏度和每个干涉滤光片的通带波长均不同，不适宜进行弱信号的精确对比。综上所述，以上方法均存在缺点或不足。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的方法及装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种精确实现激光汤姆逊散射信号收集的装置：

包括用于发出激光束的激光光源、信号收集透镜组、光纤阵列、信号传输光纤束、光栅光谱仪及二维探测器；

所述信号传输光纤束经分束整理并由不锈钢外壳固定后形成固定次序排列的所述光纤阵列；

所述光纤束上下逐个排列在光纤支架上，所述光纤束的光纤端面分为第一端面和第二端面两种类型，第一端面和第二端面均为矩形端面，且第一端面和第二端面高度相同，第一端面的宽度是第二端面的一半；

所述的光纤阵列的各个光纤接收端分别接收经收集透镜组成像收集的激光汤姆逊散射信号，所述的信号传输光纤束的另一端耦合输入光栅光谱仪及二维探测器。

进一步的，所述的光纤阵列的各个端面平整，所述的矩形端面中有四个端面的类型是第一端面，其余端面类型为第二端面，上述四个端面分为两组，每组两个端面上下相邻排列，且所述上下相邻排列的两个端面分布在端面中轴线左右各一个。

进一步的，所述的用于发出激光束的激光光源为强脉冲激光光源，脉冲强度大于3焦耳。

进一步的，信号收集透镜组是大口径信号收集透镜，口径尺寸大于20厘米。