[发明专利]基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁化靶聚变研究中关于反场构形预加热磁化等离子体产生的关键诊断测试技术领域，具体涉及一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法。

背景技术

测量等离子体电子密度常用的方法有朗缪尔探针(静电探针)、光谱学、激光干涉等方式。朗缪尔探针是最早用来测定等离子体特性的一种诊断工具，其理论相当复杂，在简化条件下，利用其伏安特性可推导出等离子体电子温度、密度与空间电位等参数，朗缪尔探针结构简单且具有一定的空间分辨能力，主要适用于低温等离子体、或高温等离子体的低温低密度区研究中，但其必须深入到等离子体内部进行测量的使用方式，导致其与等离子体会发生强烈的相互作用，加之强磁场对其伏安特性影响严重，限制了其在高温等离子体诊断中的应用。光谱学测量等离子体密度信息主要适用于高温高密度等离子体研究中，利用光谱的绝对强度及其线谱轮廓可对其密度与温度进行测量估算。但高温等离子体的发光机制多种多样，实验室中产生的等离子体通常并不处于完全平衡状态，各组分粒子一般处于不同状态，其密度温度等各不相同且都会随时空变化，尤其是在出现不稳定状态时，情形更为复杂，甚至导致等离子体的宏观参数完全失去意义。故从光谱学测量中推断等离子体有关密度温度等参数时，需要相当慎重分析考虑。

激光干涉作为一种非接触式无扰诊断手段，如今已被广泛用于各种等离子体研究中。激光干涉测量等离子体电子密度的基本原理是利用激光在等离子体中传播时因介质(等离子体)折射率的变化导致激光相位的变化，通过求解干涉信号相位，而等离子体的折射率与等离子体的电子密度密切相关，从而可得到等离子体电子密度信息。目前普遍采用的激光干涉方式是双光束超外差方法，利用圆柱形旋转光栅产生多普勒频移、声光布拉格盒产生差频信号、或波长相近的两个激光光源进行干涉实现差频，相移解调方式多采用正交电路解调方式或数干涉条纹的方法进行相位信息解调。采用正交电路解调方式，电路系统繁杂，包含本振(声光布拉格盒差频提供)、功分、带通滤波、I/Q解调器、低通滤波等元器件组成，且各功能元器件性能限制，造成解调精度局限；采用数干涉条纹相移解调方式，需采用分幅/扫描相机辅助、CCD/CMOS/胶片记录等干涉条纹，记录干涉条纹分辨率有限，造成可解调相移精度受限。通常采用的激光干涉系统是由传统光学元器件通过空间光路搭建的方式实现，光路受周围空间环境影响极大，同时每次实验前均需进行繁琐的光路对光调节，时间成本较高，严重影响实验(时间)效率。

因此如何利用激光干涉方法高效便捷地诊断高温高密度磁化等离子体电子密度信息，成为磁化靶聚变研究的强烈诉求。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量系统及方法。以期待解决如何高效便捷地诊断高温高密度磁化等离子体(反场构形FRC)的电子密度信息问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于数学对比相移解调法的光纤激光干涉系统，包括：激光器、隔离器、第一分束器、可调衰减器、第二分束器、第一合束器、第二合束器、第一光电探测器、第二光电探测器、示波器、第一光功率计、第二光功率计、发射探头、接收探头、光纤窄带滤波器和第三分束器；所述激光器与所述隔离器连接；所述隔离器与所述第一分束器连接；所述第一分束器与所述可调衰减器连接；所述可调衰减器与所述第二分束器连接；所述第二分束器分别与所述第一合束器、第二合束器连接；所述第一合束器与所述第一光电探测器连接；所述第二合束器与所述第二光电探测器连接；所述第一分束器同时与所述发射探头连接；所述发射探头与所述接收探头通过经由等离子体待测试区的自由空间光连接；所述接收探头与所述光纤窄带滤波器连接；所述光纤窄带滤波器与所述第三分束器连接；所述第三分束器分别与所述第一分束器、第二分束器连接；所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所述示波器连接；所述第三分束器与所述第一光功率计连接；所述第二分束器与所述第二光功率计连接；且各器件之间均通过光纤进行连接。

更进一步的技术方案是提供一种基于数学对比法的光纤激光干涉电子密度测量方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤一、通过所述的基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用数学对比法对电子密度所致相移进行解调；

步骤二、利用所述基于数学对比相移解调法的全光纤激光干涉系统采用Abel反演数据处理方法获取等离子体电子密度的时空分布信息。

更进一步的技术方案是所述的步骤一包括：