一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，包括多台激光器光源，多台激光器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每台激光器光源的输出光路中心线上分别设有可调的反射镜，经反射镜后光束方向相同且彼此独立互不影响，位于反射光束的光路上依次设置有长焦距的聚焦透镜、光学吸收装置，各反射光束通过聚焦透镜后汇聚为一束，然后入射至光学吸收装置，由光学吸收装置吸收末端的激光脉冲。本发明可实现多束同波长、同偏振方向激光脉冲的合束，可提高激光脉冲的频率和能量，从而提高诊断系统的时间分辨率和测量精确度，具有结构简单、合束效率高、组装调试方便和制造成本低等特点。
【专利说明】
一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置
技术领域
[0001]本发明涉及激光诊断装置技术领域，尤其涉及一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置。
【背景技术】
[0002]高时间和空间分辨率激光汤姆逊散射诊断是目前聚变等离子体诊断研究的重要方向，是公认的电子温度和密度分布测量的最精确手段。
[0003]目前汤姆逊散射诊断被广泛应用于世界各地的磁约束聚变装置上，典型的有欧洲的JET、美国的DII1-D、日本的LHD和中国的EAST。国际磁约束核聚变实验堆ITER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。
[0004]为了给L-H转换等快物理过程的研究提供基本诊断工具，分析其内在物理过程，需要提高诊断系统的时间分辨率和测量精度，对光源系统提出了极高的要求:高频率(MHz )、高能量(5J)脉冲激光光源。然而受制于激光技术的发展，目前只能生产出百赫兹的高能量脉冲激光器。随着频率的增加，其脉冲能量必然降低。所以激光合束技术需要发展和研究。现在主要有两种方法用来实现多台激光光源的合束。一种方法是针对不同波长的激光光源，然后利用镀膜反射镜实现不同波长的光束的高反和高透，达到合束的目的。另一种方法是针对不同偏振态的激光光源，利用薄膜偏振片作为合束镜片，从而完成对S偏振态激光与P偏振态激光的合束。第二种方法结合法拉第旋光器可以实现同波长、同偏振态激光的合束，但是这种方法结构复杂，稳定性差，效率低且很难应用于超高频光源合束。综上所述，针对汤姆逊散射诊断的技术要求，以上合束方法均存在缺点或不足，皆不能有效提高光源的脉冲频率和能量。
【发明内容】
[0005]本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，其特征在于:包括多台激光器光源，多台激光器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每台激光器光源发出的激光均为短脉冲激光，且多台激光器光源发出的激光偏振态及偏振方向相同，位于每台激光器光源的输出光路中心线上分别设有可调的反射镜，多个反射镜均在同一水平高度上，每个反射镜反射面分别朝向各自对应的激光器光源且多个反射镜反射面方向相同，多个反射镜位置依次错开，使反射光路方向相同且彼此独立互不影响，多台激光器光源发出的激光经各自对应的反射镜反射后，呈相互平行的反射光束，位于反射光束的光路上依次设置有聚焦透镜、光学吸收装置，各束反射光束通过聚焦透镜合束为一束光束后入射至光学吸收装置，由光学吸收装置吸收末端的激光脉冲，降低杂散光对散射信号的影响。
[0007]所述的一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，其特征在于:每个反射镜均为高损伤阈值、高反射率镀膜镜片，为了避免使用中相互影响，每个反射镜远离对应的激光器光源出光口的一个棱角必须切除。
[0008]所述的一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，其特征在于:多台激光器光源可以同时刻或者相继发出短脉冲激光。
[0009]所述的一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，其特征在于:所有激光器光源、反射镜置于同一大型隔振光学平台上，降低因激光器光源震动带来的散射区光束不稳定性。
[0010]本发明利用多个特制反射镜片和长焦距聚焦透镜，经长距离激光脉冲传输后，在信号接收方向实现光束的完全重合。在其垂直视角，散射区光束重合度达到90%以上。本发明不仅对光束个数没有严格限制，而且系统简单可靠，可以实现同波长、同偏振方向激光脉冲的高频合束，也可以实现多个激光脉冲的同时发射，提高激光脉冲能量。综上所述，为了提高汤姆逊散射诊断系统的时间分辨率和测量精度，本发明方法切实可行，并已经在EAST托卡马克装置上得到应用和验证。
[0011]本发明的优点是:本发明利用多个特制反射镜片和长焦距聚焦透镜，激光束经长距离传输后，在信号接收方向实现光束的完全重合。在其垂直视角，散射测量区达到90%以上的光束重合度。本发明不仅对光束个数没有严格限制，而且系统简单可靠，可以实现同波长、同偏振态激光脉冲的高频合束，也可以实现多个激光脉冲的同时发射，提高激光脉冲能量。综上所述，为了提高汤姆逊散射诊断系统的时间分辨率和测量精度，本发明方法切实可行，并已经在EAST托卡马克装置上得到应用和验证。
[0012]本发明装置对于汤姆逊散射诊断系统至关重要，可显著提高系统的时间分辨率和测量精度，更快速、准确的获取磁约束聚变等离子体物理数据。本发明装置结构简单可靠，便于调试;合束过程中单个激光能量几乎没有衰减，效率高;不仅可提高激光脉冲频率还可以提尚脉冲能量;安装制造成本低。
【附图说明】
[0013]图1为激光器和四道光束布局示意图。
[0014]图2为不同视角观测激光光束合束示意图。
[0015]图3为合束后激光脉冲时序不意图。
【具体实施方式】
[0016]如图1、2所示，一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，包括多台激光器光源2，多台激光器光源2出光口方向一致且均在同一水平高度上，每台激光器光源2发出的激光均为短脉冲激光，且多台激光器光源发出的激光偏振态及偏振方向相同，位于每台激光器光源2的输出光路中心线上分别设有可调的反射镜3，多个反射镜3均在同一水平高度上，每个反射镜3反射面分别朝向各自对应的激光器光源2且多个反射镜3反射面方向相同，多个反射镜3位置依次错开，使反射光路方向相同且彼此独立互不影响，多台激光器光源2发出的激光经各自对应的反射镜3反射后，呈相互平行的反射光束4，位于反射光束4的光路上依次设置有长焦距的聚焦透镜5、光学吸收装置7，各束反射光束4通过聚焦透镜5合束为一束光束后入射至光学吸收装置7，由光学吸收装置7吸收末端的激光脉冲，降低杂散光对散射信号的影响。
[0017]每个反射镜3均为高损伤阈值、高反射率镀膜镜片，为了避免使用中相互影响，每个反射镜3远离对应的激光器光源2出光口的一个棱角必须切除。
[0018]多台激光器光源2可以同时刻或者相继发出短脉冲激光。
[0019]所有激光器光源2、反射镜3置于同一大型隔振光学平台I上，降低因激光器光源2和反射镜3振动带来的散射区光束不稳定性。
[0020]本发明包括有一大型隔振光学平台I，四台激光器光源2，置于每个激光器光束中心线上的反射镜3，激光光束4和大口径长焦距聚焦透镜5，散射测量区6和置于光束末端的光学吸食器7。为了减少高能量脉冲对反射镜的损伤，每个激光脉冲的能量分布均为超高斯分布。合束调节过程中，首先调节保证所有激光器出口光束中心线在同一高度，激光水平偏振。调整特制反射镜3的位置和角度，保证经反射镜反射后的相邻光束之间足够靠近(约2mm)。使用特制反射镜上的微调旋钮，逐步调整实现光束经透镜后在散射区重合，如图2所示。从信号收集透镜正视图(图2下)，四束光束完全重合，经收集透镜后成像在信号接收光纤端面上。在散射测量区，光束重合度超过90%，符合诊断技术的要求。
[0021]以EAST托卡马克汤姆逊散射诊断系统光学参数为例，采用四道激光合束后，系统的时间分辨率从1Hz提高到MHz以上;脉冲串的工作模式和时间间隔如图3所示。此外，激光脉冲还可以同时发出，以提高激光脉冲能量进而改善系统的测量能力和数据精度。经过约40米的传输，四束激光在散射测量区域接近重合，光束中心线最大间距小于1mm，重合度超过90%，可以近似认为不同激光脉冲所对应的散射区相同，便于高频激光脉冲所得诊断数据的对比分析。四台激光器参数如下，输出能量和波长:最大6J@1064nm;出口光斑直径:22mm;发散角(全角):.5mrad ；指向稳定性:^60urad ；脉冲频率:1Hz，据此参数分析和设计合束系统。激光器布局如图1所示;考虑到反射镜面型(材料不能太薄)和合束参数(小的光束间距)的要求，特设计加工四面特殊形状的高反镜。在激光器出口附近光斑边缘间距2毫米(中心间距11 + 11+2=24毫米)，光束轴线夹角:24mm/40m=0.6mrad。经过透镜聚焦后，在光束束腰附近，收集透镜可测区域约0.85米长，所以相邻光束间光束中心线最大间距为0.5*
0.85m*0.6mrad?0.25mm，四束激光在收集透镜视角景深(图2上)0.25mm*(4-l)=0.75mm〈1mm，在收集透镜视角(图2下)完全重合，如图2所示，满足诊断系统对激光光源的要求。
【主权项】
1.一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，其特征在于:包括有多台激光器光源，所述的多台激光器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每台激光器光源发出的激光均为短脉冲激光，且多台激光器光源发出的激光偏振态及偏振方向相同，位于每台激光器光源的输出光路中心线上分别设有可调的反射镜，所述的多个反射镜均在同一水平高度上，每个反射镜的反射面分别朝向各自对应的激光器光源且多个反射镜的反射面方向相同，多个反射镜位置依次错开，使反射光路方向相同且彼此独立互不影响，多台激光器光源发出的激光经各自对应的反射镜反射后，呈相互平行的反射光束，位于反射光束的光路上依次设置有长焦距的聚焦透镜、光学吸收装置，各束反射光束通过聚焦透镜合束为一束光束后入射至光学吸收装置。2.根据权利要求1所述的一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，其特征在于:所述的每个反射镜均为高损伤阈值、高反射率镀膜镜片，将每个反射镜远离对应的激光器光源出光口的棱角切除。3.根据权利要求1所述的一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，其特征在于:多台激光器光源可以同时刻或者相继发出短脉冲激光，每个激光脉冲的波长和偏振态均相同。4.根据权利要求1所述的一种用于汤姆逊散射诊断的高频脉冲激光合束装置，其特征在于:所有激光器光源、反射镜置于同一大型隔振光学平台上。
【文档编号】G02B27/14GK105892068SQ201610418316
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】韩效锋, 臧庆, 胡爱兰, 肖树妹, 李达
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所