（等离子体物理专业论文）east三道hcn激光干涉仪的研制.pdf

摘要 摘要 电子密度是等离子体的一个重要物理参量，其时空分布关系到等离子体的各 种物理现象的研究。利用远红外激光干涉法对电子密度的时空测量已成为聚变装 置中的常规诊断方法。结合e a s t 装置目前的运行特点，设计和建立了三道i t c n 激光干涉仪测量系统，并对五道d c n 激光干涉仪进行了预研。本文简要介绍了激 光干涉仪的基本原理；详细阐述了三道h c n 激光干涉仪的具体结构。本人参与了 h c n 激光器结构的改造优化，用自动反馈调腔系统代替了原来h c n 激光器的油浴 恒温系统；对高斯光束在大口径波导中的传输做了细致研究，决定了在实验中所 采用的波导的形状、口径、材料等参数，并设计加工了波导及波导弯头等元件； 首次在光路调试中引入探测微弱信号的锁相放大器系统。三道h c n 激光干涉仪在 e a s t 实验中得到成功应用。 利用单道h c n 激光干涉仪，通过充气加料连续提升主等离子体的密度，并对 比分析偏滤器的探钊数据，首次在e a s t 装置上观察到偏滤器等离子体的三种状 态：低再循环( 偏滤器靶板处等离子体温度较高，密度较低) ，高再循环( 偏滤 器靶板处等离子体温度较低，密度较高) 和脱靶( 偏滤器靶板处等离子体温度和 密度都很低) 等离子体状态。 受t l c n 激光( 3 3 7 微米) 光束发散的影响，在e a s t 的竖直窗口上只能做三 道探测束，而波长更短的d c n 激光( 1 9 5 微米) 则可以做到五道。本人参与了五 道d c n 激光干涉仪的预研，d c n 激光器及光路系统已经设计加工完成，正在对整 个干涉仪的干燥系统升级。 关键词：h c n 激光干涉仪，波导，锁相放大器，偏滤器 a b s t r a c t a bs t r a c t e l e c t r o nd e n s i t yi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si np l a s m a ，a n di t st e m p o r a l a n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o ni sr e l a t e dt ot h es t u d yo fv a r i o u sp h y s i c a lp h e n o m e n a f a r i n f i a r e dl a s e ri n t e r f e r o m e t e ri sas t a n d a r dd i a g n o s t i cf o rm e a s u r i n gt h ee l e c t r o n d e n s i t yp r o f i l e t h r e ec h a n n e l sh c nl a s e ri n t e r f e r o m e t e ri sd e v e l o p e du n d e rt h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ne a s t ，a n df i v ec h a n n e l sd c nl a s e ri n t e r f e r o m e t e ri s u n d e rp r e - r e s e a r c h i nt h i sm s ct h e s i s ，p r i n c i p l eo fl a s e ri n t e r f e r o m e t e ra n dt h e s t r u c t u r eo ft h r e ec h a n n e l sh c nl a s e ri n t e r f e r o m e t e ra r ep r e s e n t e db r i e f l y t h el a s e r s t r u c t u r ei so p t i m i z e db yr e p l a c i n gt h eo i lj a c k e tw i t ha u t o m a t e ds y s t e mf o rc h a n g i n g t h el e n g t ho fl a s e rc a v i t yg a u s s i a nb e a mt r a n s m i s s i o ni nl a r g ed i a m e t e rw a v e g u i d ei s m a d ed e t a i l e ds t u d i e s t h em a t e r i a l ，s h a p ea n dd i a m e t e ra r ed e c i d e d ，a n dt h e w a v e g u i d ea n de l b o wc o u p l i n ga r ed e s i g n e da n dp r o c e s s e d l o c k i na m p l i f i e rs y s t e m f o rm e a s u r i n gt h ew e a ks i g n a li sf i r s ti n t r o d u c e di nt h ee x p e r i m e n t t h et h r e e c h a n n e l sh c nl a s e ri n t e r f e r o m e t e rh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ee a s t e x p e r i m e n t u s i n gs i n g l ec h a n n e lh c nl a s e ri n t e r f e r o m e t e r ，t h em a i np l a s m ad e n s r yi sr a i s e d b yg a sp u f f i n g c o m p a r i n gt h ed i v e r t o rp r o b ed a t e ，t h r e ed i f f e r e n td i v e r t o rr e g i m e s ， i e ，l o wr e c y c l i n g ( d i v e r t o rp l a s m ad e n s i t yi sl o w , t e m p e r a t u r ei sh i g h ) ，h i g hr e c y c l i n g ( d i v e r t o rp l a s m ad e n s i t yi sh i g h ，t e m p e r a t u r ei sl o w ) ，a n dd e t a c h e dd i v e r t o rp l a s m a ( d i v e r t o rp l a s m ad e n s i t yi sl o w , t e m p e r a t u r ei sl o w ) ，a r ef h s to b t a i n e do ne a s t c o n s i d e r i n gt h el a s e rd i v e r g e n c ea n g l e ，h c nl a s e r ( 3 3 7 “m ) c a r lo n l yb ed i v i d e d i n t ot h r e ep r o b eb e a m si nt h ee a s tv e r t i c a lw i n d o w , b u tt h ed c nl a s e r ( 19 5 b m ) c a n b ed i v i d e di n t o f i v ep r o b eb e a m s f i v ec h a n n e l sd c nl a s e ri n t e r f e r o m e t e ri sb e i n g p r e s t u d y t h ed c nl a s e ra n do p t i c a ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dp r o c e s s e d ，a n d t h ed r y i n gs y s t e mi sb e i n gd e v e l o p e do ne a s t k e y w o r d s ：h c nl a s e ri n t e r f e r o m e t e r , w a v e g u i d e ，l o c k - i na m p l i f i e r , d i v e r t o r l i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：圣三颦 签字日期：垫丝二笪二丝 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日公开口保密( 年) 作者签名：至三羞主导师签名： 签字日期：丝丝：笸：生 两湖 签字日期：垫l ：! ：芏 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 能源是整个人类社会发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存 的基础。随着社会的进步，人类对能源的需求越来越大。但是，人类在享受 能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能 源安全挑战。能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题 威胁着人类的生存与发展。随着全球各国经济发展对能源需求的日益增加， 以及全球石油、煤、天然气等能源的日渐枯竭，能源问题已经关系到人类社 会的可持续发展。目前，人类主要依靠化石能源，水能资源，裂变核能和各 种可再生能源( 风能，太阳能，潮汐能等) 等。这些能源受到储量，环境污 染，地域限制等问题的严重影响，开发一种新能源已经变得越来越迫切。聚 变能以资源丰富、污染少等优点被人们公认为最有希望解决人类能源问题的 方法。 目前实现可控核聚变的方法主要有两种：磁约束核聚变和惯性约束核聚 变。磁约束聚变以等离子体的低密度长时间燃烧为特点，主要是使用强磁场 把等离子体约束在真空室中，并加热使之产生聚变反应；惯性约束聚变是以 等离子体在极高密度和极短时间内实现聚变燃烧为特点，主要是使用功率密 度极高的激光或其他粒子束将燃料靶丸在极短时间内压缩聚爆，使之达到极 高密度，进而发生聚变反应。目前，这两条途径的研究都取得了重要进展， 但还存在许多物理及工程技术方面的难题。现在，在可控聚变研究中，以磁 约束核聚变中的托卡马克( t o k a m a k ) 装置最成熟且最有希望首先建成商用的 核聚变装置。t o k a m a k 的名字来源于环形( t o r o i d a l ) 、真空室( k a m e r a ) 、磁 ( m a g n i t ) 、线圈( k o t u s h k a ) ，最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿 齐莫维齐等人在2 0 世纪5 0 年代发明的。托卡马克主要由一个环形的真空室和绕 第一章绪论 在其外面的线圈组成。通电时它利用外部线圈产牛的磁场和内部等离子体电流产 生的磁场把等离子体约束在真空室中，并通过离子回旋加热、电子回旋加热、中 性束注入等方法将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。从 实际可行性上讲，本世纪能够作为聚变能应用的只能是基于氘氚反应的聚变堆。 氘氚反应只能在极高的温度下进行，此时氘氚燃料以等离子体的形态存在。因此， 人工受控聚变的问题化为如何在一定的容器中产生和控制高温的等离子体，并使 聚变反应相对平稳地进行下去的问题。随着聚变装置尺寸的不断加大，以及加热 技术和等离子体控制技术的发展，等离子体总参数不断提高，其中一些重要参数 已经接近甚至超过点火实验要求和反应堆要求。 托卡马克实验研究主要是用各种诊断设备测量等离子体的各种参数随时问 和空间的变化，研究等离子体的平衡位形特性，磁流体稳定性，输运，等离子体 与器壁的相互作用，以及整体约束性质，同时也探索各种加热方法，电流的驱动 与维持，等离子体控制等】。其中电子密度是等离子体的一个重要参数，其大小 和时空分布关系到等离子体各种物理现象的研究，也是托卡马克实验中实现等离 子体密度精确控制的一个重要的反馈信号。激光干涉仪，特别是远红外波段 ( 2 5 f a n 时对公式( 2 7 ) 作泰勒展开，可以得到寻常波的 折射率的近似表达式： n “l 一2 c 0 2 = l n 。( 2 n c ) ( 2 8 ) 通过光程为l 的均匀等离子后，产生的相移为： 矿：( 2 万2 ) ( 1 一) ：n _ - n e l ( 2 9 ) 朋c 如果等离子体的空间分布是不均匀时，则产生的相移为： = 去n 讲 ( 2 1 0 ) 因此，只要测出波的相移，就可以得到电子密度的积分值。 2 2 远红外激光干涉仪原理 在托卡马克中等离子体被很强的外加纵向磁场b 。和由等离二于体环向电流产 生的极向磁场b 。约束在环形真空室中，在托卡马克激光干涉仪诊断中通常选择 垂直于纵向磁场b 。的寻常波。图2 1 是激光干涉仪测量等离子体密度的原理图。 r e f e r t m c eb e 4 y 二j 、 塑 tb e n = ： 图2 1 于涉仪原理图 探测光束和参考光束之间的相位差为： 6 第二章远自外檄光十涉仪蟓理 = 等e 【虬州舷 ( 21 1 ) 武巾n 。= i 为真空中的折射率，t ；) 为等离子体的折射率。 将( 28 ) 式代入( 2 儿) 式得 2 壶e 2 啦尬 ( 2 1 2 ) 对应的相移的条纹数： “丢 ( 21 3 ) 引入线平均电子密度： i = 扣州枇= 訾= c ( 2 式中= z l 一自为光程的长度，因此，只要测出两列被的相移及通过等离子 体的氏度l ，就司以得出线平均电子密度。通过多道的测量，然后对数据进行 b e l 反演得到电了密度的时空分布。十涉测量技术实际上归结为电磁波相位变化的探 测和记录。现在已经发展了各种结构的十涉仪，应用最多的是c h z e d n h e r 型 外差式干涉仪。这就要求用适当的方法产牛可探测的差拍信号，整个千涉仪系统 的时间分辨率基本上也山差拍信号的周期挑定。在远耋| = 外波段有多利方法产生频 移： ( 1 ) 圆柱形旋转光栅： 这种频率调制方法山1 ) v e r o n “1 最先采用，其原理为多普勒效应。原理图如 图22 ： 图22 转动光栅原理周 半径为r 的金属圆柱体表面刻有精细的条纹，并且条纹平行于圆柱转动轴线 1 。_ 眨一 。 边 第二章远红外激光干涉仪原理 p 为光栅的闪耀角，槽面间的距离为入2 。当光栅以转速n 匀速旋转时，垂直 入射的光束将沿原光路反射。槽面沿光束入射方向的速度为： ，= 2 庀r n s i n f l ( 2 1 5 ) 则反射光束由于多普勒效应产生的频移为： a 0 3 - - - - ( 2 m c ) ( 2 r t r n s i n 历 ( 2 1 6 ) 这种调制方法简单，可靠并且寿命长，只需改变光栅的转速就可以改变调制 频率，但是要求光栅的刻槽质量要好，光栅转动的稳定性要高。目前的丁业水准 完全可以实现这两方面的要求。通常这种调制方法只能获得1 0 - 1 0 0 k h z 的调制频 率。但是，最近t m a e k a w a h l 等人利用改装的涡轮分子泵使调制频率达到了 1 4 5 m h z ，和双激光器系统所达到的频差在一个量级，增强了系统的时间分辨率， 有利于研究更快时间尺度的物理现象。目前国内的外差式激光干涉仪多采用传统 的光栅调制方式砸吼1 0 1 。 ( 2 ) 双激光器系统 双激光器系统是利用两台不同频率激光器产生一个拍频信号的原理。典型的 是利用c 0 2 激光器泵浦两台波导型的气体分子激光器，产生两个频差等于所需拍 频信号的激光束，分别作为探测光束和参考光束。这种激光器与气体放电型激光 器相比，有很多优点，它们的频率稳定性十分好，并且不受杂散场的影响。图 2 3 是采用这种双激光器方法的干涉仪示意图。 c w，午“艺磺：激j 1 巳器 图2 3 双激光器干涉仪原理图 ，僻废f 俸 两个激光器的输出频率差与它们的腔长差l 的关系是：at o = t o al l 。 对于l m 长的c 0 ：泵浦的c h 。0 h 激光器，其波长为1 1 8 8 pm ，当l = l pm 时可以 8 第一章远虹外撒光干涉仪蟓理 得到25 m ll z 的频率差。这种方法可以很容珏使频差选到ml i z 的量级，从而大幅 度挺刊干涉仪的时日j 分辨率，但是这要求必须耩确控制激光腔长并且采用高频时 间响应的探测器。目前这种方法在国外得到广泛的应片j “1 ，但是在国内由于 技术原因还很难达到。 除了上述两十p 普地应用的方 击外，也可利_ i j 电光晶体、转镜、旋转棱镜等方 法产生频移，它们所产生的频移一般都在几百k l l z 到几个m e i z 之间。此外利用声 光布喇格盒可以产生几十m f i z 的频移相应的也要求探测器的反应要非常快这 有利于研究等离子体省度的快速变化。综合国内激光干涉仪技术状况，我们选择 技术相对较为简单的圆柱光栅调制方法这种方法对探测器的要求出不是太高。 图24 是我们目前在e a s t 上使用的h c n 外差激光干涉仪的原理图： 圈24h c j 撒光干涉仪原理图 h c n 触光束首先被分束j 分成 ，b 两束激光，其中激光束a 经过光栅的频率 调制，由频率变为m + a 。然后再挫分为两束，分别与激光束b ，b 。合并后进 入探测器d a d z 。其中光束b z 经过等离子体，因此产生额外相移。 似设光束a - a “b “b ：全部入射到对应的探删器上，j i ! ! i 探测器肌上的信号为； x = hc o s 妇+ 神h e o s a x 2( 21 7 ) 探删器吼上的信号为： y - a 2 e o s ( t o + a m ) t + c o s 蛳一p ) 】2( 21 8 ) 实酥中的探测器只响应低频信号米不及不响应高频信号，以上州式低频的 9 第二章远红外激光干涉仪原理 拍频信号为： x = x o c o s a m t ( 2 1 9 ) l ，= y o c o s 给缸+ 劝= y o c o s a 烈t + a t ) 】 ( 2 2 0 ) 用相位差计比较两个探测器信号，如图2 5 ，可以得出t ，从而求出两个信号 的相位差p = a t o a t 。 x y 1 。2 。 协_ + 八7、j 。 mi 7 ll a t ” 厂杪， f 。 图2 5 相位差测量原理 l o 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 第3 章e a s t 三道h o n 激光干涉仪的研制 3 1h c n 激光光源的研制及改进 3 1 1 激光波长的选择 自1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器问世以来，激光器得到了长足的发展。 激光器的频率范围包括从紫外到远红外的频率区间，并且有的激光器的频率可以 连续变化。激光的主要特性是在空间和时间上产生巨大的能量流密度，并且具有 高度的时间和空间相干性。这些特点使激光器在等离子体诊断中获得了广泛应 用。用其做探针可以测量等离子体的各种参数：电子和离子的密度、温度、磁场 等。 目前激光在等离子体诊断中的应用主要有三个方面3 利：( 1 ) 激光散射。短波 激光散射可以测定等离子体的电子密度、电子温度、磁场、有效电荷数等参数的 时空分布；长波激光散射可以测定等离子体的离子温度、等离子体的超热涨落和 不稳定性等集体效应。例如汤姆逊激光散射，c o ：激光相干散射等。( 2 ) 激光干 涉。利用激光的空间和时间的高度相干性可以测定等离子体的电子密度，并且其 测量的范围很宽。例如激光干涉仪。( 3 ) 荧光共振散射测量( 也称为主动光谱测 量) 。它可以测量等离子体外围中性的杂质成分分布。 作为激光干涉仪的光源首先要求其稳定性要高，出射功率要大并且单色性要 好，其次还要考虑聚变装置本身对激光器波长的限制： ( 1 ) 电磁波的截止条件 当一束频率为的电磁波入射到由边缘向里密度不断增加的非均匀等离子 体时，随着波向里传播，由等离子体折射率：( 卜丝) 知，电磁波不被反射的 条件是： 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 n c = c o , m e 6 0 e 2 = ( 1 1 l x l 0 1 5 ) 2 2 m 。3 ( 3 1 ) 表3 1 列出了不同波长电磁波的截止电子密度及通过2 万相移的线密度。 表3 1 各种探测波长及其临界电子密度 探测波长频率( h z )源名称截d 二密度2 n 相移的线密度 c n l 3 )( c m 吧) 4 m i l l7 5 x1 0 1 0 速调管 6 8 0 x1 0 u5 5 8 x1 0 u 2 r a mi 5 x 1 0 速澜管 2 7 9 l o 41 1 2 x1 0 1 4 i l n l n3 0 x 1 0 速潮管1 1 7 x1 0 1 52 2 3 xl o t 4 3 3 7 um 8 9 x1 0 t lh c nl a s e r9 8 xi o 56 6 2 i o 4 1 9 5 9m 1 5 4 x1 0 1 2 d c n l a s e t 2 9 3 xl o 。6i 1 4 xi o 5 1 1 9 pm 2 5 3 x1 0 t 2 c h 【3 0 hl a s c r 7 8 6 i o l 61 8 7 x1 0 ， 6 6 pm 4 5 5 1 0 2 d 2 0l a s e r 2 5 6 x1 0 73 3 8 x1 0 0 5 i o 6 pl n 2 8 3 1 0 3c 0 2h s e r 9 9 3 1 0 1 82 1 0 l o 6 目前，e a s t 运行的电子密度数量级是1 0 1 9 ，中科院等离子体所h c n 和d c n 激 光器技术相对比较成熟，都能满足目前e a s t 的运行需要。但是，由于d c n 受空 气中水蒸气的吸收比较严重，因此在干燥问题没有解决前，我们选择h c n 激光器 作为干涉仪的光源。干燥系统完成后将把现在的三道h c n 激光干涉仪升级为五道 的d c n 激光干涉仪。 ( 2 ) 折射效应 托卡马克等离子体是不均匀的，一般芯部等离子密度比较高，边缘密度比较 低。当激光束穿过这样的等离子体时，则会由于传播方向的横向密度梯度而引起 折射现象，这种现象在多道干涉仪中尤其重要，因为，如果折射现象严重的话会 引起不同探测道之间的串扰。 对于轴对称的、其截面的密度分布是抛物线型的圆柱型等离子体，其入射 激光束的最大偏转角是 = s i n 一1 ( 以o n o ) n o n o = 【e 2 ( 4 万2 c 2 e o m e ) n o 矛= 8 9 7x l o 一1 6 胛。矛 ( 3 2 ) n o 是圆柱中心的电子密度。对于离等离子体中心为z 。的平面，入射束的最 1 2 第三章e a s t 三道i t c n 激光干涉仪的研制 大偏转距离为，= z o 。 在干涉仪的应用中，入射束都是高斯型的，束腰的位置红等离子体的中心， 则z 。平面处激光束的光斑直径为： d ：2 ( a zid a z o 2 ( 3 3 )= 2 “ ( 3 3 ) 则 z o a m d = 2 ( a z o 厅) 1 7 2 ( 3 4 ) 代入( 3 2 ) 式， a 1 1 6 1 0 1 0 ( z o n 0 2 ) - 1 1 3 m ( 3 5 ) 对于e a s t 托卡马克装置z o = 4 3 6 m ，刀o ：l x l 0 1 9 l x l 0 2 0 n o = 1 0 1 9 m 一：a 1 5 x l o - 3 m 刀o = 1 0 2 0 m - 3 ，a 3 3 x 1 0 - 4 m 目前，e a s t 主要运行在1 0 1 9 m 。的数量级，三道h c n ( 3 3 7 pm ) 激光干涉仪还 能满足现在的运行需要，对于将米e a s t 密度运行区间的上升，t l c n 明显不足。 我们现在也正研究波长更短的五道d c n ( 1 9 5 pm ) 干涉仪。 ( 3 ) 机械振动的影响 干涉仪中光学器件的机械振动会引起激光束产生额外的相移，从而引起测 量误差。这就要求激光器和干涉仪支架要保持非常好的机械稳定性。在e a s t 的 激光干涉仪中，激光器置于大理石的光学平台上，同时，干涉仪支架和e a s t 装 置足分离的，这样可有效减少来自装置的振动扰动。 3 1 2h g n 激光器的研制及改进 ( 1 ) h c n 激光器结构 远红外激光器从激励方式上分三种：光泵远红外激光器；射频激励远红外激 光器：辉光放电激励远红外激光器。本系统采用的是波长为3 3 7 pm 的连续辉光 放电激励的波导型h c n 激光器。h c n 激光器进行了改进，去除了放电管外面保持 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 恒温的油套，激光器的调腔结构也改成了由步进电机自动控制的，阴极也进行了 改进。改进后的h c n 激光器的结构如图3 1 ： 图3 1h c n 激光器结构示意图 h c n 激光器放电管的材料为1 7 # 玻璃，内径为4 8 r a m ，外径为5 4 m m ，谐振腔的长 度为3 4 m ，放电长度为3 m 。谐振腔的一端为玻璃基底的镀金平面反射镜，可通 过平面镜后面连接的千分尺来调节其位置。另一端为5 0 0 l p i ( l i n e sp e ri n c h ) 金属镍网做耦合的出射端，其反射率为9 3 。在金属栅网前5 m m 处平行的安装有 三根直径为5 0 pm 的钨丝，确保输出为偏振方向垂直钨丝的偏振光。通过调节谐 振腔两端密封口四周的螺钉来调节反射镜和栅网的角度，以得到最大的输出功 率。激光器的输出窗口用x 切石英晶体密封。为了增强激光器的机械稳定性和热 稳定性，在激光器的周围安有4 根直径2 5 m m ，长度为4 m 的低膨胀因瓦合金( 平 均线膨胀系数小于1 0x1 0 。6 c ( 2 0 c 1 0 0 c ) ) ，并将整个激光器放在大理石平 台上。通过一台与玻璃缓冲瓶相连接的2 x z - 4 型旋片式真空泵来给激光器抽真 空，其极限真空度可达5 p a 。h c n 激光器的工作物质为n 2 ，c 地和1 1 。的混合气体， 其最佳比例为n ：c h 。：t i ：= 1 ：1 ：5 。该混合气体可有效阻止激光腔内聚氰化合物的产 生，这种有机物的产生能引起的激光器输m 功率的过快下降。激光器的工作气体 或清洗气体由一个针阀控制进入放电管。激光器输出为波长为3 3 7 p m 的e h 模， 功率约为l o o m w 。e h 。，模在自由空间传输时，其在远场区域相当于一个高斯光束， 束腰位于激光器的出口附近，束腰大小为2 1 m m ，偏振方向为水平方向，偏振度 1 4 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 大于9 5 。 激光器谐振腔的长度为3 4 m ，环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动 都会引起激光器谐振腔长度的变化，进而造成激光器输出功率和频率的不稳定。 为此在激光管的外面套有油套冷却系统，内灌2 0 1 4 甲基硅油，油温用超级恒温器 控制，一般工作温度在1 2 0 0 c 左右。经过几个小时要调一次腔头的千分尺以使激 光器运行在最大功率。硅油长时间在高温下，会由于氧化而生成固体，所以经过 一段时间就要更换一次硅油。此外，由于油套的密封性不好，经常发生硅油的泄 露。所以，我们开发了一套自动调腔结构以替代油浴系统。图3 2 为激光器自动 调节功率输出的原理图： 图3 2 激光器输出功率反馈控制系统原理图 首先把激光器调到输出功率的最大值，然后开启自动反馈系统，每两分钟可 编程控制器p l c ( 西门子$ 7 - 2 0 0 型号) 采集一次t g s 探测器的输出信号，并与 之前的信号值相比较，如果信号值下降l o m v 以上，则通过步进电机调节腔长的 位置，一步对应的谐振腔长度的改变量为1 2 5 微米。一直循环调整至激光器输 出功率达到最大值。这个系统也可以采用远程控制。图3 3 是激光器在相同的放 电条件下，自动反馈控制打开和关闭状态下5 小时的输出功率变化曲线。 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 “缈-峨_ r _ l ；脚k 嘲k 氐 。”一 一。一 一 ； a w “， 。 飞 飞 0 9 9( 3 1 0 ) 足 由此式知，光学元件孑l 径d 2 2 d ( d 为射到光学元件上的光斑直径) 。 在激光干涉仪的实际设计中，为了提高干涉仪的空间分辨率，一般要求探测 束的束腰位置位于等离了体的中心，并减小束腰的大小。但是束腰越小的话，光 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 束发散角( 0 a 顽) 越大，这会造成托卡马克装置上下的窗u 过大。所以装置 上下窗口的限制是影响干涉仪探测道数的一个重要原因。因此束腰存在一个最佳 值。 把公式( 3 7 ) 对d 。求导可得窗口处的最小直径， d m i 。= 2 ( , i z o x ) 1 7 2 ( 3 i i ) 相应的束腰值为： d o = ( 2 2 7 , 0 z ) 1 7 2 ( 3 1 2 ) e a s t 装置的窗口到等离子体中心的距离z o = 4 3 6 m ，入= 3 3 7 i jm ，代入上式可 求得d i = 4 3 2 m m ，d o = 3 0 6 m m 。 3 2 2 光波导的应用 激光束在空气中传播时由于空气的吸收和色散，会使其受到衰减。单位距离 的衰减系数为吼= + 玖，它由两部分组成，即吸收系数和散射系数玩并且 二者都是波长的函数。 红外辐射的吸收主要是由大气中的各种气体分子与红外辐射的相互作用造 成的。大气中能引起对红外辐射剧烈吸收的气体为h 2 0 ，c o ：，c o 等。其中1 1 2 0 和c 0 2 在2 0 pm h 2 0 2 ( v ，波导材料的相对折射率) ，损 耗最低的模式是t e 。；当v o 1 2 7 k a 2 时进入准远场区域，在这个区域及远场区域，e h ，。模的 传输特性和高斯光束非常相像，可以用高斯基模的传输来代替e f i l l 模的传输陋们。 此高斯模的束腰为r o = o 4 2 a 并位于z o 处。 当高斯光束和波导对称轴相重合，并且束腰位于波导口时，应用几何光学理 论，c r e n n 得到高斯光束经过电介质波导传输的效率公式瞳5 1 ： r ：墨： ! 二塑! 二! 生2 p l + 而五丽q 丽 ( 3 1 3 ) 其巾p 刮叫= 貉南，v 为相对折射率。对于固定的波导口径和 材料，上式是束腰半径r o 的函数，并存在一个极值。这个公式只适用于 r o a o 5 的弱衍射，低损耗传输。传输效率t ( p ) 与p 的曲线如图3 1 0 ： 2 4 第三章e a s t 三道h e n 激光干涉仪的研制 图3 1 0 不同q 值的t ( p ) 与p 的曲线 传输效率最大值n 对应的p 值是m ，则q 值与m 的关系如图3 1 1 ： i o 5 1 0 ， ， i o 2， q 图3 1 l 不同q 值对应的最佳束腰与波导口径之比p i i 当q 5 1 0 3 时， p m = 龟口= 0 0 2 8 h q + o 5 7 ( 3 1 4 ) p a t = 场a = 0 4 2 ( 3 1 5 ) 对于i 区域，主要发生在波导比较短的情况下，损耗主要是由波导a h 的截 断损耗和衍射损耗造成的。对于i i 区域，主要发生在长波导情况下，损耗主要 鲍 hv舌一ss一”乏拳 笕三章e a s t 三道i i c n 激光千涉仪的研制 发生在e h 。在波导中传输时的“漏模损耗”。 在e a s t 装置e 有8 m 的波导使用，属于长波导情况，我们计划用材料为 p y r e x 玻璃，相对介电常数为4 6 ，采用r o a = 0 4 2 比列。波导口径有5 0 m m 和8 0 n l m 两种型号，具体采用哪种口径由实验攫i 量来决定。图31 2 为波导弯头及其配件 的设计。 3 23 分束镜和窗口材料 图3 1 2 波导弯头目 在多道激光l 一涉仪叶1 需要大量的分束镜反射镜和密封窗门等光学元什这 就需要激光束在光学材料中的损耗要保持非常小。在远红外波段，许多塑料( 聚 乙烯，t p x 等) 和晶体( 石英晶体，氟化镁等) 的透过率都非常高，但是考虑到 e a s t 装置内的高真空度，只能选择机械强度很高的石英晶体作为密封窗口。分 柬镜材料的选择不仪耍考虑远红外波段透过率，还要考虑其对可见光的透过率大 小因为在初期要厢可见光( 如氦氖激光器) 对光路进行粗调如果可见光的透 过率太小会给调光路带来很大麻烦。在e a s t j 道h c n 干涉仪中，分束片和密封 窗口都采用石英晶体，反射镜采用表面镀铝的石英品体。对于波长为3 3 7 1 j 】l l 的 h u n 激光石英晶体片每i m m 的厚度光能衰减1 。镀铝反射镜的反射率大于 9 9 5 ( 。 324e a s t 三道h c n 激光干涉仪的光路设计 2 6 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 根据以上高斯光束传输理论及材料的选择，我们在e a s t 上设计并建造了三 道的m a c h - z e h n d e r 型的i i c n 激光干涉仪，其光路如图3 1 3 ： 图3 1 3e a s t 三道h c n 激光干涉仪光路图 进入干涉仪支架的l t c n 激光首先被一个望远镜系统所聚焦，然后经5 0 的石 英分束片分光，其中一束经过光栅调制，调制频率为i o k h z 。另一束的7 5 则向 上传输，经过波导，然后被均匀分成三束，并经过等离子体。三束的大半径位置 分别为：1 6 4 m ，1 8 2 m ，2 o o m 。其中1 6 4 m 的光束经过主等离子体和偏滤器处的 等离子体，其它两束则只经过主等离子体。在实验中我们采用两用光栅，结构如 图3 1 4 ，它可以调制h c n 和d c n 两种激光，调制频率都为i o k h z 。它的材料为黄 铜，直径为2 2 3 6 咖，厚度为1 5 m ，光栅刻槽总数为n = 3 6 0 0 。该光栅可以两用， 既节约了成本，也为以后系统升级为五道d c n 激光干涉仪带来了方便。 2 7 笫三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 图3 1 4h c n d c n 光栅示意图 利用高斯光学传输理论，我们在e a s t 上设计了三道h c n 激光干涉仪。 一光路计算 i 最佳束腰： z = 4 7 8 3 ，入= 0 3 3 6 5 ，d o = 3 2 0 0 2 f ，参数( 装置上方) ： z l = 7 0 6 9 ，d l = 3 2 0 0 ，d 2 = 2 1 ，z 2 = 5 2 0 8 ， f = 3 8 0 0 3 上、下距装置赤道面尺寸： 上：4 7 8 0 ，下4 8 0 0 4 透镜参数： ( 1 )z i = 4 8 0 0 ，d i = 3 2 0 0 ，d 2 = i1 5 5 2 8 ，z 2 = 2 3 6 5 ， f = 2 0 0 0 ( 2 )= 4 9 9 0 ， ( 3 )= 4 7 2 0 。 5 调制光f 2 参数： = 8 6 3 3 0 = 8 8 5 0 0 。 = 2 3 7 6 = 2 3 5 9 z i = 4 9 9 6 ，d i = 2 1 ，d 2 = 1 1 5 5 4 0 ，z 2 = 2 9 0 7 ， f = 2 0 0 0 6 光栅聚光f 3 参数： z i = 1 3 8 4 ，d i = 2 1 ，d 2 = 2 0 0 0 0 ， z 2 = 2 3 6 ， f = 2 2 5 z i = 一9 3 4 ，d i = 2 1 ，d 2 = 2 0 0 0 0 ，z 2 = 2 1 4 ， f = 2 2 5 7 入射f 4 参数： z i = 3 1 5 8 ，d i = 2 1 0 0 0 0 ，d 2 = 2 1 0 0 0 4 ，z 2 = 3 1 5 8 ， f = 2 2 5 2 8 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 8 参考道探测器聚光f 5 参数： z i = 1 5 7 3 ，d i = 2 1 ，d 2 = i 0 0 0 1 ， z 2 = 1 2 3 ，f = 1 2 0 9 探测道探测器聚光f 6 参数： 1 )z i = 1 4 9 0 ，d i = 8 5 5 9 8 ，d 2 = o 8 1 3 1 ，z 2 = 1 5 2 ， f = 1 4 0 = 1 6 8 0 ，= 8 7 0 6 1 ，= o 7 3 5 6 ，= 1 5 1 ， 2 )z l = 1 5 0 0 ，d l = 8 7 0 5 8 ，d 2 = o 8 1 7 4 ，z 2 = 1 5 2 ， f = 1 4 0 = 1 5 0 0 ，= 8 7 0 6 1 ，= o 8 1 7 4 ，= 1 5 2 ， 3 )z l = 1 5 1 2 ，d i = 8 8 5 0 0 ，d 2 = o 8 2 0 2 ，z 2 = 1 5 2 ， f = 1 4 0 = 1 3 2 0 ， = 8 7 0 6 1 ，= o 9 1 7 i ，= 1 5 3 ， 二光学元件计算 1 平面反射镜 2 凹面反射镜 平面反射镜 d 0 zd 尺寸 p f i2 1 3 7 7 2 1 48 0 1 1 4 p f 23 25 9 0 05 0 9q1 2 0 p f 3 3 24 9 0 04 5 91 1 0 1 6 0 p f 41 1 51 9 6 53 8 2 1 0 0 1 4 0 p f 5 1 1 5 1 0 1 52 2 18 0 1 1 4 p f 62 13 1 9 63 8 8 p1 0 0 p f 72 12 0 0 02 9 3 p8 0 p f 82 l5 6 62 1 38 0 1 1 4 p f 92 l1 0 7 92 3 78 0 1 1 4 p f l 02 17 2 32 2 38 0 1 1 4 2 9 第三章e a s t 三道l t c n 激光干涉仪的研制 3 凸面反射镜： 4 分光透镜： 5 窗口透镜： 凹面反射镜d 0zd d 尺寸焦距 a f l2 l5 2 0 85 7 11 2 6 叩1 4 0 3 8 0 0 a f 22 l 4 9 9 65 5 1 1 2 1 91 4 02 0 0 0 a f 32 l1 3 8 42 5 35 6 ( p7 0 2 2 5 a f 4 2 13 1 5 83 8 58 5 q1 0 0 2 2 5 a f 52 l1 5 7 32 6 45 8 q7 0 1 2 0 a f 61 1 51 6 3 33 2 47 l 叩8 5 1 4 0 凸面反射镜d 0 zd 尺寸 焦距 t 13 24 8 0 04 5 3 妒7 02 0 0 0 t 23 24 9 0 04 3 6 p7 0 2 0 0 0 t 3 3 2 5 0 8 04 2 5 印7 0 2 0 0 0 分光透镜d o zd 反射率尺寸 f 1 1 1 5 5 44 9 51 4 85 0 7 x 1 0 0 ( 7 7 8 9 ) f 21 1 5 5 45 2 01 4 85 0 7 1 0 0 ( 7 7 8 9 ) f 31 1 5 5 45 4 61 4 85 0 7 1 0 0 ( 7 7 8 9 ) f 42 l1 8 7 92 8 45 0 7 0 1 0 0 f 52 11 8 7 92 8 45 0 7 0 1 0 0 f 62 18 7 22 2 95 0 7 0 1 0 0 f 72 16 62 15 0 7 0 1 0 0 f 82 44 7 l o3 4 23 3 3 8 0 1 1 4 f 9 2 44 8 9 0 3 4 95 0 8 0 1 1 4 3 0 第三章e a s t 三道h c n 激光干涉仪的研制 3 3 信号的检测与处理 3 3 1 锁相放大器的应用 一中1 0 0 ( 2 ) ( 8 1 1 6 ) 锁相放大器是检测淹没在噪声中的微弱信号的仪器。自问世以来在微弱信号 检测方面，如弱光、弱磁、弱声、小位移、微振动、微温差等方面，表现出优秀 的性