HT-7五道HCN激光干涉仪光学元件的设计

　　1　引　言

　　电子密度是托卡马克装置等离子体的重要参数。远红外激光干涉仪测量等离子体电子密度技术始于20世纪70年代,并迅速从单道弦平均电子密度测量技术发展成为测量电子密度分布的多道干涉仪,技术越来越完善。中科院等离子体物理研究所的HT-7托卡马克装置原有的密度测量手段为单道远红外激光干涉仪(1995年秋建立),1998年改建为三道测量。该诊断由于它只能测量小环圆截面上-18.5cm、0cm、+18.5cm三个位置上的平均电子密度,具有很大的局限性,不能很好的体现密度分布的情况。1997年春季在原有的三道测量基础上作者对其光路系统进行了改进设计,使之成为能够测量小环圆截面上-20cm、-10cm、0cm、+10cm、+20cm五个位置上的弦平均电子密度随时间变化的情况,使之能够更好地反映出HT-7装置等离子体电子密度情况。在1999年5月的HT-7放电实验中测量到了干净稳定的五道信号,较以前三道信号有了很大的改善,取得了预期结果。

　　2　等离子体电子密度测量原理

　　用干涉的方法测量等离子体电子密度是通过测量等离子体的折射率来实现的。当电磁波垂直于磁场方向传播时,电场方向平行于磁场,这时等离子体的折射率μ0为[1]

时,电磁波被等离子体反射。式中ne为等离子体电子密度;me为电子质量;ε0为真空中的介电常数;e为电子电荷。由此求出截止密度ne为

　　测量等离子体电子密度的干涉原理如图1所示[2]。

　　探测光束与参考光束之间的相位差为

　　式中μv为真空的折射率,μ0(z)为等离子体的折射率,z1和z2分别为等离子体中的光程起点和终点。设

　　3　光学元件的设计

　　设计干涉仪的窗口和分束片必须首先确定其材料。很多物质都可以用作透光和分束,然而只有少数物质适合于托卡马克装置的干涉仪,石英就是其中的一种[3]。对于石英来说,它有两种切割方式,即X方向切割和Z方向切割,光轴方向因而需要仔细选择,以避免光束线偏振方向的任何变化。在HT-1上我们选择X方向切割石英材料做干涉仪的窗口和分束片,其光束的电场分量正交于入射场,此时ne=2.156。下面我们来讨论具体的元件参数设计。我们知道,当光束在自由空间传播时,场振幅在某一截面上的分布是高斯分布,满足

　　式中,I0是峰值光强;u是到轴的径向距离;l0是光束的束腰,如图2所示。

　　当L>2.2l时,PL/P接近于1 (图3),即当光束通过横隔膜时能量损失可以忽略。对于HT-7装置来说,由于其尺寸较大(a=0.30mm),要求光学元件尺寸满足L=2.2l即可。通过复杂计算得到各分束片的尺寸,考虑到机械加工及安装调试方便,将尺寸统一为90mm×60mm,这一设计的合理性在后来的实际实验中得到了很好的证明。