[发明专利]一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪

说明书

本发明公开了一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，由1550nm和1310nm激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、准直器、衰减器、光电探测器、波分复用器、补偿光纤、PZT位移器和采集控制模块组成。本发明双色激光光纤干涉仪克服了传统单色光纤干涉仪在等离子体密度测量领域只能短时间测量缺点，测量出环境带来的相位漂移并且使用PZT位移器进行补偿，测量时间从一般光纤干涉仪的1毫秒内扩展到10秒以上，整个干涉仪构成简便，光路部分为全光纤结构，易安装且成本可控。

技术领域

本发明涉及等离子体密度诊断的技术领域，特别涉及一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪。

背景技术

干涉法测量是一种十分成熟的“非入侵式”测量等离子体密度手段。用干涉法测量等离子体密度的装置有很多种，可大致分为两类：空间分辨干涉仪和时间分辨干涉仪。传统的干涉仪主要由光学透镜组组成，新型的干涉仪由光纤器件组成。

虽然光纤干涉仪可以避免传统几何光学透镜组干涉仪带来的昂贵且庞大和搭建不易的问题，但是新的问题也随之产生。自由空间光路被光纤光路代替的同时，会由于光纤被环境参数干扰引入低频的相位漂移。干涉仪测量的是等离子体改变所穿过的激光的相位，相位漂移的引入将会使得等离子体密度测量中存在随时间改变的漂移信号，极大程度地限制光纤干涉仪的应用。

相位漂移主要是由光纤周围环境温度扰动和机械传导震动导致光纤的长短发生改变，因此激光在光纤中传播的距离也发生了改变。这样的改变在相位上是一个低频的漂移信号，在脉冲短时间高密度等离子体(例如等离子体枪)中并不影响测量，可以通过减去低频的平衡量来获得密度波形。但是在其他长时间放电装置，如托克马克装置中等离子体维持时间持续在1～100秒，甚至达到小时量级，低频的漂移直接影响到我们密度信号的测量。

在原有的激光光纤干涉仪上引入双色测量方法，通过PZT位移器抵消由于光纤改变带来的低频漂移量，实现长时间高密度等离子密度的测量。

发明内容

本发明提供一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，主要解决激光光纤干涉仪由于环境条件引起的低频相位漂移导致无法长时间测量等离子体的问题。

本发明采用的技术方案为：一种长时间测量等离子体密度的双色激光光纤干涉仪，由1550nm和1310nm激光器、2×2耦合器、3×3耦合器、准直器、衰减器、光电探测器、波分复用器、补偿光纤、PZT位移器和采集控制模块组成，1550nm和1310nm激光器分别连接在2×2耦合器输入端，2×2耦合器分光比1:1，两束1550/1310nm混合在一起的光线出射，一路光依次穿过衰减器，准直透镜，等离子体，准直透镜，连接到3×3耦合器的一个输入端，称为信号光，另一束光穿过衰减器，补偿光纤，PZT位移器，连接到3×3耦合器的另一个输入端，称为参考光，当穿过等离子体的信号光和经过补偿的参考光进入3×3耦合器后，在3×3耦合器的输出端连接3个波分复用器，每个波分复用器后连接两个光电探测器，光电探测器后接信号采集模块和PZT控制模块。PZT控制模块与PZT位移器相连，形成反馈控制；

准直透镜是为了使激光在光纤与自由空间之间自由转换，使激光穿过自由空间等离子体，两个衰减器是为了使两束光线进入3×3耦合器的功率大致相等，补偿光纤是使两路光的光程差相等，PZT位移器能够产生μm级别的位移，用于小范围调节光纤长度，波分复用器是将混合在一起的经过干涉后的1310nm与1550nm混合光分开输入光电探测器，光电探测器采用6个InGaAs半导体探测器，用于将光信号转换成电压信号，信号采集模块和PZT控制模块是将电信号采集存储并计算出等离子体密度信号和环境带来的光纤位移，同时控制PZT位移器进行补偿。