一种用于脉冲等离子体电子密度测量的高灵敏度干涉仪

　　1　引　言

　　通过测量等离子体折射率,激光干涉法能够无扰动地在线测量等离子体密度[1]。低密度等离子体)的密度测量通常需要采用波长较长的光源(例如托卡马克装置中采用HCN激光器[2])。对于等离子体密度较高)的情况,通常采用可见光光源和数条纹的方法进行测量[3]。

　　对于密度在范围的等离子体,上述两种方法都不再适用[4]:采用波长较长的光源时,由于密度梯度的存在,会导致激光的偏折,从而使信号从记录面丢失;然而采用可见光光源时,虽然可以消除等离子体密度梯度的影响,但是等离子体引起的相位移动通常只有几度到几十度。通常的方法是采用外差式干涉仪[5]或者采用复杂的光路稳定措施[6],但这两种方法的光路和数据处理都比较复杂。

　　由于机械振动、气流扰动、温度变化等因素,干涉仪会产生随机的相位移动[7],这些因素引起的相位移动的周期一般大于1 ms。

　　相当一部分等离子体(例如Z箍缩、等离子体断路开关、各种电炮、脉冲激光或紫外线与材料的相互作用等)持续时间较短(数十纳秒~1 ms),通常被称作“脉冲等离子体”[8]。由于脉冲等离子体引起的相位移动与机械振动等因素引起的随机相位移动频率相差2~3个数量级,对于等离子体密度引起相位移动的数十微秒的时间内,干涉仪本身的随机相位移动只有1/1000个波长左右,可以视为常数。基于这种思想,设计建立了不需要复杂光路稳定措施的高灵敏度干涉仪。

　　2　实验设置

　　2.1　光路设置

　　图1为实验中的光路设置,波长为632·8 nm的He2Ne激光器作为光源,采用迈克尔逊式光路,物光和参考光汇合后经过滤片和透镜进入光纤并传输到屏蔽室内的记录系统。激光器功率约为40 mW,光束直径为1·4 mm。偏振隔离器是为了防止激光器输出功率不稳定。光纤采用的是芯径为100μm的多模光纤。窄带滤波片(Andover 633FS02225)是为了消除放电过程中等离子体自发光的影响。

　　图1中的等离子体枪是利用高电压下绝缘材料表面闪络产生等离子体的装置[4],等离子体电离程度很高而可以忽略中性气体成分的影响,持续时间通常约20μs。

　　2.2　记录系统

　　图2和图3分别为实验中采用的记录系统电路图和控制框图。光纤引出的激光入射到工作在反向偏压下PIN光电二极管(Hamamatsu S5973)上,二极管在632·8 nm波长附近的灵敏度为0·4 A/W。光电流在负载电阻上产生的电压信号VD1和VD2分别由一段很短的低电容同轴电缆引入到两台示波器A和B中(图3)。

　　为了实现小相位检测,需要采用灵敏度很高的外差式记录系统[7,9],利用探测器的混频作用将相位变化转化为电信号变化。