一种等离子体电子密度测量装置

1.本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种等离子体电子密度测量装置。


背景技术：

2.在磁约束聚变实验装置和空间等离子体实验模拟与研究装置中，等离子体电子密度都是至关重要的物理参数，几乎所有实验装置都要求能够在等离子体物理实验研究中准确而快速的测量等离子电子密度。
3.在现有技术中，远红外波段的光源适用于托卡马克聚变实验装置，是国内外干涉仪系统中适用最多的光源，但该波段的光源以往都是使用体积大，输出稳定性不高的气体激光器，如文章“xu qiang et al.2008plasma sci.technol.10 519”所述的，在east托卡马克实验装置上发展的hcn干涉仪系统，使用了谐振腔长度为3米的hcn激光器，该激光器为电激励的气体激光器，使用转动光栅调制差频信号，整个激光器系统体积较大，需要占用较大面积的实验空间，激光器的功率输出不稳定，需要在运行时不断调节功率输出，并且转动光栅调制的差频频率较低，使整个干涉仪的时间分辨率较低；又例如文章“h q liu et al.2013jinst 8c11002”所述，在east托卡马克实验装置上发展了11道的偏振干涉仪系统，该系统使用了3台进口的二氧化碳泵浦甲酸激光器作为光源，该光源的功率输出较为稳定，使用双激光器原理，差频可以达到兆赫兹量级，时间分辨率也较高，但是整个激光器系统需要建设面积较大的具有恒温恒湿减振效果的激光洁净室，且使用双激光器原理进行差频输出的该系统，差频输出也需要在实验运行时由工作人员随时调节，增加了运行成本。最近国内发展的空间等离子体实验模拟与研究装置(space plasma environment research facility)，其预计产生的等离子体密度也在远红外波段的干涉仪的探测范围内，如文章“q.m.xiao et al.2020jinst 15p11026”所示，给出了一套在该装置上设计的hcn干涉仪系统，同样使用了hcn激光器作为光源，并专门为该系统建设了一间激光洁净室。
4.由此可见，如何设计一款结构紧凑，体积较小，运行稳定的等离子体电子密度测量装置已成为现如今本领域技术人员所要亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种等离子体电子密度测量装置，以解决上述缺陷，通过设计等离子体电子密度测量装置的具体结构，实现了紧凑的系统布局，为空间等离子体的密度测量和实验模拟研究提供了可靠的测量数据。
6.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种等离子体电子密度测量装置，包括第一太赫兹固体源、第二太赫兹固体源、干涉仪光路、等离子体、角反射镜、第一探测器和第二探测器；
7.所述第一太赫兹固体源的光信号发送端与所述干涉仪光路连接，所述干涉仪光路用于将所述第一太赫兹固体源产生的光束输出至所述第一探测器；所述干涉仪光路还用于将所述第一太赫兹固体源产生的光束输出至所述第二探测器；
8.所述第二太赫兹固体源的光信号发送端与所述干涉仪光路连接，所述干涉仪光路用于将所述第二太赫兹固体源产生的光束输出至所述第一探测器；所述干涉仪光路还用于将所述第二太赫兹固体源产生的光束输出至经过所述等离子体的所述角反射镜，以使所述第二探测器接收由所述角反射镜返回的光束；
9.所述第一探测器和所述第二探测器用于对各自接收到光束进行合束得到合束信号，以供所述等离子体电子密度测量装置根据所述合束信号计算等离子体电子密度。
10.作为其中一种优选方案，所述干涉仪光路包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一分光片、第二分光片、第三分光片、第四分光片、第五分光片、第一平面反射镜、第二平面反射镜、望远镜光路、45度角反射镜；
11.所述第一太赫兹固体源的光信号发送端依次通过所述第一聚焦透镜、所述第一分光片和所述第二分光片与所述第一探测器的接收端连接；所述第一太赫兹固体源的光信号发送端依次所述第一聚焦透镜、所述第一分光片、所述第二平面反射镜和所述第五分光片与所述第二探测器的接收端连接；
12.所述第二太赫兹固体源的光信号发送端依次通过所述第二聚焦透镜、所述第三分光片、所述第一平面反射镜、所述望远镜光路、所述45度角反射镜、所述第四分光片和所述等离子体与所述角反射镜的接收端连接，所述角反射镜的光信号返回端依次通过所述等离子体、所述第四分光片、所述第五分光片与所述第二探测器的接收端连接；所述第二太赫兹固体源的光信号发送端依次通过所述第二聚焦透镜、所述第三分光片和所述第二分光片与所述第一探测器的接收端连接。
13.作为其中一种优选方案，所述望远镜光路包括凸反光镜和凹反光镜；
14.所述第一平面反射镜将接收的光束依次通过所述凸反光镜和所述凹反光镜，发送至所述45度角反射镜。
15.作为其中一种优选方案，所述第一太赫兹固体源为变频340ghz固体源，所述第二太赫兹固体源为定频340ghz固体源。
16.作为其中一种优选方案，所述第一探测器和所述第二探测器均为algan/gan-hemt场效应管探测器。
17.作为其中一种优选方案，所述等离子体电子密度测量装置还包括法兰支架，所述法兰支架上设有套筒，所述套筒内设有所述角反射镜，所述套筒开设有对准所述角反射镜的开口，所述开口在所述法兰支架上水平/垂直可调。
18.作为其中一种优选方案，所述角反射镜为铝制镀金材质。
19.作为其中一种优选方案，所述等离子体电子密度测量装置还包括光学平台；
20.所述第一太赫兹固体源、所述第二太赫兹固体源、所述干涉仪光路、所述第一探测器和所述第二探测器均设于所述光学平台上。
21.相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于以下所述中的至少一点：
22.(1)选用太赫兹固体源，体积小，结构紧凑，环境敏感度低，输出信号稳定。
23.(2)干涉仪光路对第一太赫兹固体源和第二太赫兹固体源发出的激光束进行处理，设计为一路通过装置中等离子体的光路为探测道光路，另一路不过等离子体的光路为参考光路，在产生等离子体后，探测道就可以探测到激光在等离子体中产生的相移，将探测道信号与参考道信号进行外差比较后，就可以计算出等离子体电子密度。
24.(3)本发明的等离子体电子密度测量装置，布局紧凑，占用空间小，使用光学器件相对较少，无需使用大型支架，便于在大型等离子体实验装置上设计及安装，运行稳定，运行维护成本低，该系统可以实现垂直测量和水平测量两种位置测量，也可以扩展为多通道，实现多道线积分电子密度测量。
附图说明
25.图1是本发明其中一种实施例中的等离子体电子密度测量装置的结构示意图；
26.图2是本发明其中一种实施例中的原理示意图；
27.图3是本发明其中一种实施例中的角反射镜在法兰支架上的安装结构示意图；
28.图4是本发明其中一种实施例中的装置进行水平测量的示意图；
29.附图标记：
30.其中，1、第一太赫兹固体源；2、第二太赫兹固体源；3、等离子体；4、角反射镜；5、第一探测器；6、第二探测器；7、第一聚焦透镜；8、第二聚焦透镜8；9、第一分光片；10、第二分光片；11、第三分光片；12、第四分光片；13、第五分光片；14、第一平面反射镜；15、第二平面反射镜；16、45度角反射镜；17、凸反光镜；18、凹反光镜；19、光学平台；411、法兰支架；412、套筒；m、聚焦透镜组件；n、其他台面光路。
具体实施方式
31.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，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本技术描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
33.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置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。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
34.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.本发明一实施例提供了一种等离子体电子密度测量装置，具体的，请参见图1，图1示出为本发明其中一种实施例中的等离子体电子密度测量装置的结构示意图，其包括第一太赫兹固体源1、第二太赫兹固体源2、干涉仪光路、等离子体3、角反射镜4、第一探测器5和第二探测器6。
36.应当说明的是，发明人经过对太赫兹技术的研究，将体积小、结构紧凑、环境敏感度低、输出信号稳定的太赫兹固体源应用到干涉仪系统中，例如本实施例中的340ghz的太赫兹固体源，体积小，最高输出功率可达10mw，差频输出稳定，以两台340ghz固体源作为光源的干涉仪系统，在使用角反射镜进行双光程设计后，省去了大型的光学支架，可以进行紧凑化的设计，极大地缩减了整个干涉仪系统的占用空间。该系统在1
×
10
17
m-3
～1
×
10
18
m-3
的等离子体密度范围内具有极佳的测量精度，可以在目前托卡马克实验装置边界位置的密度测量和空间等离子体实验模拟与研究装置上，提供可靠的测量数据。
37.优选地，在本实施例中，所述第一太赫兹固体源1为变频340ghz固体源，所述第二太赫兹固体源2为定频340ghz固体源，采用双激光器法，可以在兆赫兹量级内任意调节两台固体源之间的差频，实现高时间分辨率测量。
38.本发明实施例中的干涉仪光路可以根据光路布局，设计为多通道测量。具体的，所述第一太赫兹固体源1的光信号发送端与所述干涉仪光路连接，所述干涉仪光路用于将所述第一太赫兹固体源产生1的光束输出至所述第一探测器5；所述干涉仪光路还用于将所述第一太赫兹固体源1产生的光束输出至所述第二探测器6；
39.所述第二太赫兹固体源2的光信号发送端与所述干涉仪光路连接，所述干涉仪光路用于将所述第二太赫兹固体源2产生的光束输出至所述第一探测器5；所述干涉仪光路还用于将所述第二太赫兹固体源2产生的光束输出至经过所述等离子体3的所述角反射镜4，以使所述第二探测器6接收由所述角反射镜4返回的光束。
40.在上述实施例中，干涉仪光路为外差式干涉仪，需要调节可调节频率的340ghz固体源，使该激光器相对于固定频率的340ghz固体源有一个兆赫兹量级的频差，使两台激光器产生的光合束后进入探测器，就可以得到兆赫兹量级的拍频信号。在光路设计中，设计为一路通过装置中等离子体的光路为探测道光路，另一路不过等离子体的光路为参考光路，在产生等离子体后，探测道就可以探测到激光在等离子体中产生的相移，将探测道信号与参考道信号进行外差比较后，就可以计算出等离子体电子密度。
41.进一步地，在本实施例中，所述干涉仪光路包括第一聚焦透镜7、第二聚焦透镜8(图1中将7和8统一显示为聚焦透镜组件m)、第一分光片9、第二分光片10、第三分光片11、第四分光片12、第五分光片13、第一平面反射镜14、第二平面反射镜15、望远镜光路、45度角反射镜16；
42.所述第一太赫兹固体源1的光信号发送端依次通过所述第一聚焦透镜7、所述第一分光片9和所述第二分光片10与所述第一探测器5的接收端连接；所述第一太赫兹固体源1的光信号发送端依次所述第一聚焦透镜7、所述第一分光片9、所述第二平面反射镜15和所述第五分光片13与所述第二探测器6的接收端连接；
43.所述第二太赫兹固体源2的光信号发送端依次通过所述第二聚焦透镜8、所述第三分光片11、所述第一平面反射镜14、所述望远镜光路、所述45度角反射镜16、所述第四分光片12和所述等离子体3与所述角反射镜4的接收端连接，所述角反射镜4的光信号返回端依
次通过所述等离子体3、所述第四分光片12、所述第五分光片13与所述第二探测器6的接收端连接；所述第二太赫兹固体源2的光信号发送端依次通过所述第二聚焦透镜8、所述第三分光片11和所述第二分光片10与所述第一探测器5的接收端连接。
44.具体的，请参见图2，图2为本发明其中一种实施例中的原理示意图，下面结合图2详细说明本实施例中的光路信号流向过程：定频固体源2和调频(变频)固体源1输出的激光，由于出光束腰较小，发散较大，在台面光路中需要通过聚焦透镜组件m后将束腰改变为合适的尺寸。第一太赫兹固体源1发出的激光经过第一分光片9、第二分光片10后进入第一探测器5(称之为第一光信号)；第二太赫兹固体源2发出的激光经过第三分光片11、第二分光片10后进入第一探测器5，与上述第一光信号的激光合束，产生参考道拍频信号。
45.第二太赫兹固体源2发出的激光经过第三分光片11分束后的另一束光通过第一平面反射镜14进入到望远镜光路中，340ghz固体源波长为882微米，发散较快，望远镜光路可以使激光在进入装置的较远传播中光束一直保持较小直径，避免过多的功率损失。通过望远镜光路的激光，由45度角反射镜16垂直入射，通过第四分光片12后穿过装置中的等离子体3，再由直接固定在装置顶部法兰的角反射镜4使激光原路返回，依次通过第四分光片12、第五分光片13后进入到第二探测器6中(称之为第二光信号)；第一太赫兹固体源1发出的激光，经过第一分光片9分出的另一束光通过第二平面反射镜15和所述第五分光片13，进入第二探测器6中，与上述第二光信号的探测光合束，产生探测道拍频信号。
46.第一探测器5会接受两种光信号，对其进行合束，产生参考道拍频信号；第二探测器6也会接受两种光信号，对其进行合束，产生探测道拍频信号，由于探测道可以探测到激光在等离子体中产生的相移，将探测道信号与参考道信号进行外差比较后，就可以计算出等离子体电子密度。由此可知，在光源功率允许的情况下，只要增加光学器件对主光路探测束分光，并进行光学设计和合理布局，就可以将340ghz固体源干涉仪由一道升级为多道。
47.望远镜光路可以使激光在进入装置的较远传播中光束一直保持较小直径，避免过多的功率损失，优选地，在本实施例中，所述望远镜光路包括凸反光镜17和凹反光镜18；
48.所述第一平面反射镜14将接收的光束依次通过所述凸反光镜17和所述凹反光镜18，发送至所述45度角反射镜16。
49.本实施例中的所述第一太赫兹固体源1为变频340ghz固体源，从而使得该激光器相对于固定频率的第二太赫兹固体源2有一个兆赫兹量级的频差，使两台激光器产生的光合束后进入探测器，就可以得到兆赫兹量级的拍频信号。
50.进一步地，在上述实施例中，所述第一探测器5和所述第二探测器6均为algan/gan-hemt场效应管探测器，algan/gan-hemt场效应管探测器的体积小，能够在室温下使用。
51.具体的，请参见图3，图3示出为本发明其中一种实施例中角反射镜在法兰支架上的安装结构示意图，本实施例中的等离子体电子密度测量装置还包括法兰支架411，所述法兰支架411上设有套筒412，所述套筒412内设有所述角反射镜4，所述套筒412开设有对准所述角反射镜4的开口，所述开口在所述法兰支架411上水平/垂直可调。将角反射镜直接固定在窗口，使探测光路原路返回，减少光学器件的使用数量，无需大型支架支撑，根据测量需求，可以实现垂直测量和水平测量两种测量方案。具体的，请参见图4，图4示出为本发明其中一种实施例中的装置进行水平测量的示意图，若将角反射镜4固定在水平窗口，另一侧增加必要的光学反射镜，固体源干涉仪光学平台及其他台面光路n置于装置侧边，就可以实现
水平测量。
52.进一步地，在上述实施例中，所述角反射镜4为铝制镀金材质。
53.进一步地，在上述实施例中，所述等离子体电子密度测量装置还包括光学平台19；所述第一太赫兹固体源1、所述第二太赫兹固体源2、所述干涉仪光路、所述第一探测器5和所述第二探测器6均紧凑的地固定于所述光学平台19上。
54.本发明实施例提供的等离子体电子密度测量装置，有益效果在于以下所述中的至少一点：
55.(1)选用太赫兹固体源，体积小，结构紧凑，环境敏感度低，输出信号稳定。
56.(2)干涉仪光路对第一太赫兹固体源和第二太赫兹固体源发出的激光束进行处理，设计为一路通过装置中等离子体的光路为探测道光路，另一路不过等离子体的光路为参考光路，在产生等离子体后，探测道就可以探测到激光在等离子体中产生的相移，将探测道信号与参考道信号进行外差比较后，就可以计算出等离子体电子密度。
57.(3)本发明的等离子体电子密度测量装置，布局紧凑，占用空间小，使用光学器件相对较少，无需使用大型支架，便于在大型等离子体实验装置上设计及安装，运行稳定，运行维护成本低，该系统可以实现垂直测量和水平测量两种位置测量，也可以扩展为多通道，实现多道线积分电子密度测量。
58.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。