[0001] 本发明涉及光学干涉测量技术领域，具体涉及一种适用于紧凑环等离子体的激光光纤偏振仪系统。

[0002] 中国聚变工程实验堆作为我国未来更加先进的大型托卡马克装置，它有两个主要的物理设计目标，分别要实现1GW的稳态聚变功率以及氚自持。结合目前的研究结果，将聚变燃料直接注入装置芯部，这既能提高芯部等离子体的聚变功率，还能降低氚增值率，从而实现氚自持的目标，因此芯部加料成为控制聚变燃料等离子体的核心手段之一。在现有的技术中，如充气注入，超分子束以及弹丸注入等方式均很难实现芯部等离子体的注入，随着芯部加料实验的进行，紧凑环注入是目前最有希望实现芯部加料的技术之一。

[0003] 为了评估紧凑环注入装置的加料效率，对其安装多种诊断系统是非常重要的，本发明叙述的激光光纤偏振仪系统就是用来测量紧凑环等离子体密度的一种诊断技术。等离子体被称为物质的“第四种状态”，它常常是由大量带电粒子组成的整体呈现准中性的粒子团，可以理解为电离的气体。紧凑环注入装置就是利用电磁炮的原理，首先通过电容的瞬间放电将气体击穿形成等离子体，随后通过洛伦兹力将等离子体加速打出，其产生的等离子体我们称为紧凑环等离子体或紧凑环。

[0004] 目前测量等离子体密度的诊断方法主要分为两大类：接触式和非接触式。接触式诊断方法，顾名思义就是通过直接和等离子体接触从而获取等离子体的密度信息，它的缺点很明显：会破坏等离子体的结构和引入杂质。非接触式诊断方法，主要包括微波测量法、激光测量法以及光谱测量法，随着技术发展，微波测量法逐渐被激光测量法取代，光谱测量法是通过测量等离子体的谱线强度、位移等相关物理量来推断等离子体密度信息。当然在非接触式诊断方法中，激光干涉法是最受关注的方法之一，激光光纤偏振仪就属于激光干涉法，传统的激光光纤偏振仪基本采用开放式光路，导致安装调试费时费力，同时测量的精度和稳定性低。并且，目前安装于紧凑环注入装置的相关干涉仪系统，仅仅只能测量出密度信息，且存在易受外界环境影响的问题。

[0032] 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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；在本发明的描述中，“多个”“若干”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

[0034] 请参阅图1所示，本发明为一种适用于紧凑环等离子体的激光光纤偏振仪系统，包括激光器1、第一光纤耦合器2、圆偏振光产生模块3、第一准直器4、第二准直器6、第二光纤耦合器7、第二偏振器8、光电转换器9和数据处理模块10，本激光光纤偏振仪系统通过合理布置上述诊断测试紧凑环等离子体的非接触式元件，以实现紧凑环等离子体的密度及磁场信息进行高精度测试。

[0035] 激光器1用于输出竖直方向的线偏振激光信号；第一光纤耦合器2用于将线偏振激光信号分束为测量信号和参考信号，测量信号依次通过圆偏振光产生模块3、第一准直器4、等离子测试区5和第二准直器6输出至第二光纤耦合器7，参考信号直接输出至第二光纤耦合器7；第二光纤耦合器7用于输出光束干涉信号，光束干涉信号通过第二偏振器8输出至光电转换器9，光电转换器9用于将光束干涉信号转换成电压信号；数据处理模块10用于将电压信号进行采集和数据分析以获得紧凑环等离子体的密度及磁场信息。

[0036] 本申请的激光光纤偏振仪系统使用过程中，激光器1输出的线偏振激光信号可以分束为测量信号和参考信号，线偏振激光的测量信号经过等离子测试区5可以获得测试信号，并与参考信号在第二光纤耦合器7内发生干涉，并生成光束干涉信号，通过将光束干涉信号转换成电压信号，并传输至数据处理模块10，以便于通过数据处理模块10采集和数据分析以获得紧凑环等离子体的密度及磁场信息；本申请中是通过将参考信号和经过等离子体的测量信号进行对比，并通过相位解调便可提取信号之间的相位差，然后根据法拉第效应便可得到密度及磁场信息。

[0037] 本申请的激光光纤偏振仪系统通过采用如光纤耦合器的光纤器件，可以减少了开放式光学器件的使用，大大降低了成本和减少了平台搭建时间，同时也降低了实验过程外部环境的干扰。

[0038] 本具体实施方式中，第一光纤耦合器2分束的测量信号有两束，两束测量信号通过圆偏振光产生模块3时转换成两个旋转方向相反的圆偏振光信号，两个旋转方向相反的圆偏振光信号依次通过第一准直器4、等离子测试区5和第二准直器6输出至第二光纤耦合器7；以使两束测量信号经过等离子测试区5可以获得两个旋转方向相反的圆偏振光信号，在下文中两个旋转方向相反的圆偏振光信号分别为右旋偏振光信号和左旋偏振光信号。

[0039] 本具体实施方式中，结合图2所示，圆偏振光产生模块3包括第一声光调制器11、第二声光调制器12、二分之一波片13、第一偏振器14和四分之一波片15；一束测量信号依次通过第一声光调制器11、二分之一波片13、第一偏振器14和四分之一波片15输出至第一准直器4，二分之一波片13用于将这一束测量信号转换为水平方向的线偏振激光信号；另一束测量信号依次通过第二声光调制器12、第一偏振器14和四分之一波片15输出至第一准直器4；其中，四分之一波片15用于将水平方向和/或竖直方向的线偏振激光信号转换为圆偏振光信号。

[0040] 本申请中的圆偏振光产生模块3工作原理如下：一束测量信号经过二分之一波片13的竖直线偏振激光信号会转换成水平线偏振激光信号，水平线偏振激光信号和来自第二声光调制器12的竖直激光信号一起输入第一偏振器14中合成一束光信号，第一偏振器14再将合束的光信号输入四分之一波片15，此时，从四分之一波片15输出的便为旋转方向相反的圆偏振光，该旋转方向相反的圆偏振光再依次经过第一准直器4、等离子测试区5和第二准直器6。

[0041] 在下文将详细阐述旋转方向相反的圆偏振光经过等离子测试区5获得测试信号的工作过程。

[0042] 圆偏振光信号进入第一准直器4实现扩束后将光信号传播出去，该光信号经过等离子测试区5的等离子体后进入第二准直器6实现聚焦后传出；来自第二准直器6的测试信号和参考信号在第二光纤耦合器7处发生干涉；光束干涉信号进入第二偏振器8以选择竖直方向的线偏振光输出到光电转换器9；

[0043] 光电转换器9将电信号传输到数据处理模块10进行信号采集和数据分析。

[0044] 数据处理模块10进行采集和数据分析时，数据处理模块10解调出相位信息φ；其中，φR为右旋偏振光信号的相移，φL为左旋偏振光信号的相移。

[0045] 可通过以下公式获得紧凑环等离子体的密度信息n；其中，nc为截止密度，λ为激光器1产生的光信号波长，l为光信号
穿过等离子体时的传输路径，d l为表示l的微分。

[0046] 根据法拉第效应，可以通过以下公式获得法拉第旋转角α， 进而可以通过以下公式获得紧凑环等离子体的磁场信息，磁场信息为极向场的平行分量B∥，其中，λ为激光器1产生的光信号波长，NR和NL分别为右、左旋偏振光在等离子体中传播时的折射率，ne为电子密度，l为光信号穿过等离子体时的传输路径。

[0047] 综上可知，本申请的激光光纤偏振仪系统是利用三波法进行相移信息的解调，通过参考路的光信号和测量路的两个光信号的相位比较，便可得到右、左偏振光的相移信息；同时，本申请的激光光纤偏振仪系统优势在于不需要使用光栅调制，就可以得到偏振和干涉信号，避免了调制引入的误差和信号的不稳定，优化了测量精度。

[0048] 此外，本申请的激光光纤偏振仪系统采用光纤器件，减少了开放式光学器件的使用，大大降低了成本和减少了平台搭建时间，也降低了实验过程外部环境的干扰，同时也可测量密度、磁场等子信息。

[0049] 本具体实施方式中，第一光纤耦合器2为1×3光纤耦合器。

[0050] 本具体实施方式中，第一声光调制器11为35MHz移频的声光调制器；第二声光调制器12为50MHz移频的声光调制器，第一声光调制器11和第二声光调制器12用于分别将对应的测量信号频率增强，可以增强信号分辨能力，从而有助于提高测试精度。

[0051] 本具体实施方式中，激光器1为保偏窄线宽激光器1，输出激光信号的波长为1550nm，且线宽小于3kHz。

[0052] 本具体实施方式中，第二光纤耦合器7为2×1光纤耦合器。

[0053] 本具体实施方式中，光束干涉信号通过第二偏振器8输出至光电转换器9时，第二偏振器8用于将光束干扰信号以竖直方向的线偏振激光信号输出到光电转换器9。

[0054] 本具体实施方式中，结合图3所示，第一准直器4和第二准直器6之间设有紧凑环注入装置16，紧凑环注入装置16用于产生等离子测试区5的紧凑环等离子体；使用时，第一准直器4和第二准直器6在实验前应进行手动调节使得激光信号传输效率最大；可以实现对紧凑环注入装置16里的等离子体进行测试诊断。

[0055] 需要理解是，在上述非接触式的所有测试元件工作范围都应包括通过它的激光信号的波长或电信号的峰值，以确保等离子体测试完整性和测试精度。

[0056] 以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。