技术领域
[0001] 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。
相关背景技术
[0002] 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。
[0003] 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：
[0004]
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] X＝[a1cos(w+Δw)t+b1 coswt]2
[0008] 探测器D2上的信号为：
[0009]
[0010] 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：
[0011] X＝X0 cosΔwt
[0012]
[0013] 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：
[0014]
[0015] 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‑2方向发展(电磁波截止密度nc∝λ )，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。
具体实施方式
[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0037] 如图4所示为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系统结构，装置主要包括光路、电路两部分。其中光路部分又分为空间检测光路和光纤传输光路两种形态，设计空间检测光路穿越待测等离子体区域。理想状态下待测等离子体为球状物质，截面观察半径为20cm的圆面，装置设计N个空间检测光路圆面均匀排布，全面了解等离子体各位置密度参数。下面仅以其中任意一个检测通道来介绍系统组成：
[0038] 光路部分含单纵模激光器Q、U型光纤台隔离器OI、声光调制器AOM、1分N光纤分路器A、光纤准直器A、光纤准直器B、1分10光纤分路器B、1分2光纤分路器、光电探测器。单纵模激光器A产生连续的中心波长532nm±1nm窄线宽激光，通过尾纤输出，光的电场可表示为:
[0039] 单纵模激光器Q、U型光纤台隔离器OI、声光调制器AOM依次通过光纤连接器互联，隔离器可有效隔离后级逆向散射光对激光器谐振腔的影响，起到保护激光器作用，也可通过光纤准直器定位旋钮对链路光功率进行调节，隔离器的有效隔离度≥35dB，承载功率≥3W。
[0040] 声光调制器AOM完成输入光的中频调制并实现衍射效应光输出，中心频率110MHz，衍射效率≥85％，0级和1级衍射光频率相差值为中频信号频率，相应地两级衍射光电场可表示为：
[0041] 0级，
[0042] 1级，
[0043] 0级、1级衍射光通过各自尾纤输出，分别与1分N光纤分路器A、1分N光纤分路器B输入端相连，两只光纤分路器分别实现光能量的N路均分。均分后的0级衍射光经光纤准直器A、光纤准直器B构成空间检测光路穿越待测等离子体区域，经1分N光纤分路器B均分后的1级衍射光构成相应的参考光路。
[0044] 经等离子体后的0级衍射光的电场可表示为：
[0045] 经1分N光纤分路器B均分后的1级衍射光的电场可表示为：
[0046]
[0047] 1分2光纤分路器两个输出端分别与空间检测光路的光纤准直器B、参考光路1分N光纤分路器输出端相连，由于1分2光纤分路器属于光学互易性器件，可以实现两级衍射光的合路输出，合路后输出光的电场可表示为:
[0048]
[0049] 1分2光纤分路器公共端尾纤与光电探测器尾纤相连，光电探测器对输入的两级合路衍射光进行拍频，获取含待测等离子体密度信息的中频信号并输出至正交解调模块，光学拍频过程可表示为：
[0050]
[0051] 上式前两项为光电流的直流项，其后部分为交流项。由于光电探测器的响应带宽所限，因此最终输出的含等离子体相位信息量的中频信号为： 该中频信号输出接入正交解调模块射频(RF)输入端。
[0052] 电路部分含射频信号源S、定向耦合器DC、1分N信号功分器PS、正交解调模块IQ。射频信号源为装置提供高稳定的频率110MHz的中频信号，该信号可表示为：该中频信号经定向耦合器DC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调制信号，功率较大的一路作为正交解调模块的本振信号，定向耦合器DC的直通、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。
[0053] 定向耦合器DC的参考信号经1分N信号功分器PS后，实现参考信号的N路功率均分，该信号可表示为： 均分后的N路参考信号分别接入对应的正交解调模块的本振(LO)输入端。
[0054] 正交解调模块采用零中频设计，输入频率范围110MHz±25MHz，输出相位差≤90°±1.5°，输出平均电压：≤3mV。信号处理过程可理解为相互混频过程，可表示如下：
[0055] RF输入:
[0056] LO输入：
[0057] I解调：
[0058] Q解调：
[0059] 正交解调模块内置低通滤波器，滤除解调信号中频谐波分量。正交解调模块输出为
[0060] I输出：
[0061] Q输出：
[0062] 上述公式中的η1～η7、γ均为幅值系数，具体取值取决于器件实际特性，但不影响表达式本身所述物理意义。至此，正交解调模块完成中频信号的相位正交解调输出，IQ信号采集并模数转换后,取正交输出信号幅值的反正切或反余切计算可获得激光穿越等离子体的时间相位变化量 并由此反演出待测等离子体密度。
[0063] 上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，属于本发明的保护范围之内。
