[发明专利]一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析系统

说明书

本发明公开了一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊断采集及数据分析系统，包括有数据采集模块、数据重叠模块和数据分析模块，先使用数据采集模块收集数据，然后使用数据重叠模块按采集模块生成的档案号读取原始数据并进行重叠平均，最后，重叠平均完成的数据则在数据分析模块中分析成物理参数及进行速度分布的绘图。本发明的创新为通过扫描触发及FP干涉仪的共同修正获得一个以实测的激光瞬间波长作为重叠校准的参考点的重叠平均方式，从而增加从重叠平均的精度。本发明为实现这个实验方法提供了高效率及可行性的保障。

技术领域

本发明涉及使用二极可调谐管激光器实现的激光诱导荧光或主动光谱诊断数据处理技 术领域，具体是一种适用利用二极管激光器进行的等离子体主动光谱的数据处理的分析系 统。

背景技术

过去等离子体的主要诊断方式为朗缪尔探针及减速场探针分别实现电子分布和离子分 布测量。这些测量工具虽然成熟且效费比高，但是同时存在着鞘层效应、磁通管效应等对等 离子体参数的干扰，尤其是在受诊断等离子体小、等离子体非完全电解、或机械结构难以抵达的诊断空间，都限制了探针的使用。因此，对于诊断区域无需进行机械干涉的光谱诊断， 在过去数十年间日益流行。

激光诱导荧光利用激光照射等离子体中的离子、中性原子或气体分子来激发跃迁，进而 收集其发射荧光作为信号。这个过程的常用实现方式如下：使用一个激光器将激光发射至诊 断区，然后使用一套光学装置(一般是一个望远镜)将荧光收集至传感器中。为了避免激光 对于采集造成干扰，激光进入诊断区的光路与收集荧光的光路通常是垂直的。

以往激光诱导荧光普遍用于等离子体的密度测量，这种测量方式依赖展宽远大于受诊断 粒子激发能。随着窄频、可调谐激光器的普及化，通过激光器的调谐扫描，可以测量激发波 长(频率)的多普勒位移，从而实现粒子速度分布测量。由于共振激发的跃迁能及激光器的 输出光都可以达到非常低的展宽(～MHz)，故此激光诱导荧光在目前技术上最多可以达到数 十米每秒甚至更低的速度解析度，对于粒子速度分布实现接近室温热速度量级的细致刻画。

在多数的等离子体中，激光诱导荧光的信噪比较低，尤其热阴极放电及电子温度高或气 体的特殊混合造成的高离子或中性气体发射光谱较强的等离子体中，这些背景光源造成了激 光诱导荧光的杂信，除了光学滤波片、锁相、甚至在诊断区收集荧光的光路中加入防反光面等减噪手段以外，利用多次采集重叠平均也是难以避免的降噪方法。

将多次扫描的信号平均需要一个用于对准每一次激光波长扫描的参考信号。过去的类似 诊断一般使用激光器本身的触发信号触发示波器进行重叠，在重叠足够的次数以后再从示波 器收集数据。过去数据存储媒介包括硬盘、闪存、内存等成本较高的年代，这种直接使用示波器进行数据处理的方法有助于减少数据存储量，节省数据处理算力以及存储成本。但是激 光器随着时间推移，其扫描波长会由于温控及其他因素出现频移，造成每次扫描之间的波长 区间出现误差。二极管可调谐激光器普遍没有同时锁频和调谐扫描的功能，所以激光器自身 的触发并不会修正其频移效应，这导致多次扫描重叠以后信号激光的有效展宽及对应的粒子速度分布展宽假高，降低重叠后数据的精度。

随着计算机运算能力的发展以及存储成本的下降，采集完整的原始实验数据，再利用后 端处理减噪成为可能。在这个处理过程中，一个比起仅用激光器触发信号更能真正代表每次 扫描波长区间的重叠对准及扫描幅度校正方法，可以客观的增加重叠平均之后信号的精度及解析度。这种方法的自动化，更可以大幅节省人员的工作时间，并使需要大量重复扫描的数 据(上百甚至上千次扫描)成为可能。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种二极管激光器调谐实现主动光谱诊 断采集及数据分析系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：