一种法拉第偏振仪的反馈光隔离器及其隔离方法与流程

1.本发明属于核聚变技术领域，具体涉及一种法拉第偏振仪的反馈光隔离方法。


背景技术：

2.在磁约束核聚变等离子体研究中，电流密度分布是开展磁流体不稳定性，等离子体输运和约束研究最重要的等离子体参数。目前，法拉第偏振仪和动态斯塔克效应是目前公认的最主要的两种诊断技术。在许多核聚变实验装置上，法拉第偏振仪通常与远红外(fir)激光干涉仪集成在一起，构成fir激光偏振/干涉仪，兼备测量电子密度和电流密度分布(通过测量法拉第旋转角推导获得)的功能。
3.法拉第偏振仪测量精度直接决定电流密度分布的重建精度，直接影响等离子体的物理分析。根据法拉第旋转角公式可知，它的绝对值由电子密度和电流值共同决定，在目前国内外托卡马克装置上，法拉第旋转角的最大值小于20
°
，这给诊断增加了难度。在hl-2a放电条件下，法拉第旋转角更小，最大值小于5
°
，杂散光干扰尤其明显，比如来自诊断窗口、二分之一波片、四分之一波片的反射光，尤其是探测器端面的反馈光与原探测光混频，形成驻波干扰探测信息，最终导致法拉第旋转角测量值在电子密度上升/下降期间产生明显的振荡干扰，致使法拉旋转角测量失效。
4.因此，如何采用恰当的光学隔离技术，消除法拉第角测量中遇到的振荡干扰信号，尤其是来自探测器端面的反馈光，对提高法拉第旋转角测量精度和电流密度分布重建精度非常重要。
5.hl-2a装置上甲酸激光偏振/干涉仪系统庞大复杂，使用了上百个光学元器件，诊断系统的光路原理简图见图2所示。
6.光路中，两束甲酸激光经调节后形成同线传输的正交线偏振光，经过长波导传输和大量的反射镜片变换之后，进入主体光路系统；要实现法拉第偏振测量，系统中需要使用四分之一波片，把正交线偏振光变换成左旋/右旋圆偏振光(l-/r-)；左旋/右旋圆偏振光穿过等离子体(由于二者折射率不同，经过等离子体后会产生相位差)，探测光束被高灵敏度肖特基探测器接收混频。最后，通过比较探测通道与参考通道的相位差，可以获得与法拉第旋转测量直接相关的相位角(小角度)。
7.但由于hl-2a偏振仪采用的迈克尔逊型光路(即光路两次穿过等离子体)，而且甲酸激光束的光斑较大，多通道光路传输过程中可能会引入杂散光或反馈光，例如诊断窗口和波片表面产生的反馈光，从而干扰法拉第旋转测量精度，已经成为目前国内外偏振仪测量中遇到的共同难题。
8.近些年大量研究表明，影响法拉第偏振测量的杂散光主要来自探测器端面的反馈光，它在真空室内壁反射镜和探测器表面之间来回反射后，形成驻波，最终导致法拉第旋转角测量值在电子密度上升/下降期间出现严重的振荡干扰，上述情况会对法拉第旋转角的测量值引入很大误差，甚至失效。
9.因此，继续设计一种法拉第偏振仪的反馈光隔离器及其隔离方法，用于解决上述
技术问题。


技术实现要素：

10.本发明提供了一种法拉第偏振仪的反馈光隔离器及其隔离方法，用于解决现有技术中由于于hl-2a偏振仪的甲酸激光束光斑较大，多通道光路传输过程中可能会引入杂散光或反馈光，从而干扰法拉第旋转测量精度的技术问题，
11.本发明技术方案：
12.一种法拉第偏振仪的反馈光隔离器，包括：线栅、四分之一波片、吸光棉、金属防护圆筒、旋转机构和步进电机；所述线栅和四分之一波片分别安装在金属防护圆筒上，所述金属防护圆筒整体为中空圆柱体结构，金属防护圆筒的内壁设置吸光棉，所述旋转机构贯穿设置在金属防护圆筒内部，所述旋转机构上分别设置有线栅和四分之一波片设，所述旋转机构还与步进电机连接。
13.所述金属防护圆筒的两端部通光；所述线栅为金属镍丝线栅元件；四分之一波片的光轴与线栅金属丝方向的夹角为45
°
；所述设置在金属防护圆筒内的四分之一波片的平面正对设置有探测器，所述探测器为法拉第偏振仪肖特基探测器。
14.一种如上所述的法拉第偏振仪的反馈光隔离器的隔离方法，包括如下步骤：
15.步骤一、在法拉第偏振仪光路中装配反馈光隔离器；
16.步骤二、在甲酸激光偏振仪探测光路上安装高灵敏度肖特基探测器；
17.步骤三、通过步进电机带动旋转机构，控制线栅和四分之一波片的方位和夹角；
18.步骤四、在相同等离子体参数放电条件下对比测量，按照1
°
为间隔，调节线栅旋转机构，实时监测电子密度上升/下降阶段相位分析仪上法拉第信号的振荡幅度。
19.步骤五、在同样的等离子体放电条件下，按照1
°
度为间隔，调节四分之一波片旋转机构，实时监测电子密度上升/下降阶段相位分析仪上法拉第信号的振荡幅度。
20.步骤六、对比步骤四和步骤五中记录的法拉第信号振荡幅度的最小值a和b，选择出线栅和四分之一波片的最佳位置。
21.所述步骤一中装配反馈光隔离器时，还包括：装配时反馈光隔离器中的四分之一波片一端正对肖特基探测器；同时，在装配反馈光隔离器前，需要把四分之一波片的光轴和线栅方向的夹角调整为45
°
，并预设进入反馈光隔离器的光束为标准的左旋/右旋圆偏振光。
22.所述步骤二中安装高灵敏度肖特基探测器时，还包括：探测器输出信号经过50倍前置放大器后接入相位分析仪，用于实时监测法拉第旋转信号，比较分析它在电子密度上升/下降期间振荡幅值的变化。
23.所述步骤三控制线栅和四分之一波片的方位和夹角，还包括：设置反馈光隔离器的金属防护圆筒的中心位置与探测器端面的中心位置处于同一水平高度，同时，调整线栅和四分之一波片沿竖直方向的倾斜装配角度为1
°‑2°
，防止四分之一波片本身引入的反射光干扰法拉第旋转测量；
24.所述步骤四中还包括：通过监测放电数据，记录法拉第信号振荡幅度的最小值a，以及此时四分之一波片的光轴和线栅方向的夹角α1。
25.所述步骤五中还包括：通过测放电数据，记录法拉第信号振荡幅度的最小值b，以
及此时四分之一波片的光轴和线栅方向的夹角α2。
26.所述步骤六还包括：当振荡干扰信号幅值达到最小，从而确定线栅和四分之一波片的方位，得到反馈光隔离器内部光学组件的最佳匹配位置，并应用到后续放电测量；再次跟踪等离子体放电测量，此时相位分析仪中获得的信号为最大程度滤除探测器端面反馈光干扰后的法拉第旋转角有效值。
27.本发明有益效果：
28.本发明从使相位分析仪上能够获得振荡幅度明显降低的法拉第旋转角，极大地提高了法拉第旋转角的测量精度。
29.本反馈光隔离方法是在中国环流器2号a(hl-2a)托卡马克装置的甲酸激光(hcooh，波长为432.5μm)偏振/干涉仪系统上进行实验验证的。该偏振/干涉仪系统采用两台甲酸激光器，干涉仪和偏振仪测量功能分离，即电子密度和法拉第旋转角分离测量。将本反馈光隔离系统安装到法拉第偏振光路中，成功消除了法拉第旋转测量支路上的反馈光信号，提高了法拉第旋转角的测量精度。
30.本方法可以有效滤除法拉第偏振测量中来自探测器端面的反馈光，消除法拉第旋转角中的振荡干扰信号，实现法拉第旋转角有效、准确测量，实用效果好。
附图说明
31.图1是本发明设计的反馈光隔离方法的工作原理图；
32.图2是现有hl-2a装置上甲酸激光偏振仪光路原理图；
33.图3是等离子体放电电流图；
34.图4是弦积分电子密度图；
35.图5是偏振/干涉仪在反馈光隔离器应用前法拉第旋转角图；
36.图6是偏振/干涉仪在反馈光隔离器应用后法拉第旋转角图；
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例对本发明的一种法拉第偏振仪的反馈光隔离器及其隔离方法进行详细说明。
38.本反馈光隔离器是在中国环流器2号a(hl-2a)托卡马克装置的甲酸激光(hcooh，波长为432.5μm)偏振/干涉仪系统上进行实验验证的。该偏振/干涉仪系统采用两台甲酸激光器，干涉仪和偏振仪测量功能分离，即电子密度和法拉第旋转角分离测量。我们将本反馈光隔离系统安装到法拉第偏振光路中，成功消除了法拉第旋转测量支路上的反馈光信号，提高了法拉第旋转角的测量精度。
39.hl-2a装置上甲酸激光偏振/干涉仪系统庞大复杂，使用了上百个光学元器件，诊断系统的光路原理简图见图2所示。光路中，两束甲酸激光经调节后形成同线传输的正交线偏振光，经过长波导传输和大量的反射镜片变换之后，进入主体光路系统；要实现法拉第偏振测量，系统中需要使用四分之一波片，把正交线偏振光变换成左旋/右旋圆偏振光(l-/r-)；左旋/右旋圆偏振光穿过等离子体(由于二者折射率不同，经过等离子体后会产生相位差)，探测光束被高灵敏度肖特基探测器接收混频。最后，通过比较探测通道与参考通道的相位差，可以获得与法拉第旋转测量直接相关的相位角(小角度)。
40.由于hl-2a偏振仪采用的迈克尔逊型光路(即光路两次穿过等离子体)，因此，而且甲酸激光束的光斑较大，多通道光路传输过程中可能会引入杂散光或反馈光，例如诊断窗口和波片表面产生的反馈光，从而干扰法拉第旋转测量精度，已经成为目前国内外偏振仪测量中遇到的共同难题。近些年大量研究表明，影响法拉第偏振测量的杂散光主要来自探测器端面的反馈光，它在真空室内壁反射镜和探测器表面之间来回反射后，形成驻波，最终导致法拉第旋转角测量值在电子密度上升/下降期间出现严重的振荡干扰，上述情况会对法拉第旋转角的测量值引入很大误差，甚至失效。
41.为了解决上述振荡干扰问题，我们在长期实验研究中不断总结和分析，研制了一种反馈光隔离器，可以很大程度上滤除来自探测器端面的反馈光。反馈光隔离器的工作原理见图1所示。
42.图1中反馈光隔离器的工作原理为：左旋/右旋圆偏振探测光携带了与法拉第旋转角相关的信息，二者穿过反馈光隔离器，首先，线栅元件把左旋/右旋圆偏振光后变换成线偏振光；然后，穿过四分之一波片，其偏振态又变换成左旋/右旋圆偏振光进入探测器，对原探测光路不产生影响。然而，当探测器端面产生的反馈光反射回光路系统，经过四分之一波片后，其偏振面相对于入射方向的线偏光旋转了90
°
。根据线栅元件的光学特性，返回的线偏振光方向与线栅方向平行，它将无法穿过线栅，被直接隔离，从而它不能返回到主体光路系统中，因此确保了进入探测器的混频信号源为直接经过等离子体的探测光波。最终，相位分析仪上能够获得振荡幅度明显降低的法拉第旋转角(振荡幅度甚至能够被消除)，极大地提高了法拉第旋转角的测量精度。
43.本发明所述的反馈光隔离器具体结构，如图1所示，包括：线栅、四分之一波片、吸光棉、金属防护圆筒、旋转机构和步进电机；所述线栅和四分之一波片分别安装在金属防护圆筒上，所述金属防护圆筒整体为中空圆柱体结构，金属防护圆筒的内壁设置吸光棉，所述旋转机构贯穿设置在金属防护圆筒内部，所述旋转机构上分别设置有线栅和四分之一波片设，所述旋转机构还与步进电机连接。
44.所述金属防护圆筒的两端部通光；所述线栅为金属镍丝线栅元件；四分之一波片的光轴与线栅金属丝方向的夹角为45
°
；所述设置在金属防护圆筒内的四分之一波片的平面正对设置有探测器，所述探测器为法拉第偏振仪肖特基探测器。
45.图1中探测器端面产生的反馈光经过四分之一波片后，其偏振面相对于入射方向的线偏光旋转了90度，此时，返回的线偏振光将无法穿过线栅，反馈光被有效隔离。
46.图2中，正交线偏振光经过四分之一波片后变换成左旋/右旋圆偏振光，用于法拉第偏振测量；反馈光隔离器安装在探测器前端。
47.一种如上所述的法拉第偏振仪的反馈光隔离器的隔离方法，包括如下步骤：
48.步骤一、在法拉第偏振仪光路中装配反馈光隔离器，包括：装配时反馈光隔离器中的四分之一波片一端正对肖特基探测器；同时，在装配反馈光隔离器前，需要把四分之一波片的光轴和线栅方向的夹角调整为45
°
，并预设进入反馈光隔离器的光束为标准的左旋/右旋圆偏振光。
49.步骤二、在甲酸激光偏振仪探测光路上安装高灵敏度肖特基探测器；包括探测器输出信号经过50倍前置放大器后接入相位分析仪，用于实时监测法拉第旋转信号，比较分析它在电子密度上升/下降期间振荡幅值的变化。
50.步骤三、通过步进电机带动旋转机构，控制线栅和四分之一波片的方位和夹角，包括：设置反馈光隔离器的金属防护圆筒的中心位置与探测器端面的中心位置处于同一水平高度，同时，调整线栅和四分之一波片沿竖直方向的倾斜装配角度为1
°‑2°
，防止四分之一波片本身引入的反射光干扰法拉第旋转测量；
51.步骤四、在相同等离子体参数放电条件下对比测量，按照1
°
为间隔，调节线栅旋转机构，实时监测电子密度上升/下降阶段相位分析仪上法拉第信号的振荡幅度。所述步骤四中还包括：通过监测放电数据，记录法拉第信号振荡幅度的最小值a，以及此时四分之一波片的光轴和线栅方向的夹角α1。
52.步骤五、在同样的等离子体放电条件下，按照1
°
度为间隔，调节四分之一波片旋转机构，实时监测电子密度上升/下降阶段相位分析仪上法拉第信号的振荡幅度。所述步骤五中还包括：通过测放电数据，记录法拉第信号振荡幅度的最小值b，以及此时四分之一波片的光轴和线栅方向的夹角α2。
53.步骤六、对比步骤四和步骤五中记录的法拉第信号振荡幅度的最小值a和b，选择出线栅和四分之一波片的最佳位置。当振荡干扰信号幅值达到最小，从而确定线栅和四分之一波片的方位，得到反馈光隔离器内部光学组件的最佳匹配位置，并应用到后续放电测量；再次跟踪等离子体放电测量，此时相位分析仪中获得的信号为最大程度滤除探测器端面反馈光干扰后的法拉第旋转角有效值。
54.从图3至图6可见在电子密度上升/下降阶段法拉第信号的振荡幅度与弦积分电子密度完全不同，出现了很大幅度的干扰值。随后，我们将反馈光隔离器安装到法拉第偏振仪探测通道中，法拉第旋转角测量结果见图6所示，测量结果明显改善。
55.实施例
56.(1)在图1中法拉第偏振仪光路中(探测器前端光程上)装配反馈光隔离器，其中放置方向为反馈光隔离器的四分之一波片一端正对肖特基探测器。同时，在本方法操作前，需要把四分之一波片的光轴和线栅方向的夹角调整为45
°
，即假设进入反馈光隔离器的光束为标准的左旋/右旋圆偏振光。
57.(2)在甲酸激光偏振仪探测光路上安装高灵敏度肖特基探测器。探测器输出信号经过50倍前置放大器后接入相位分析仪，用于实时监测法拉第旋转信号，比较分析它在电子密度上升/下降期间振荡幅值的变化。
58.(3)保证反馈光隔离器开孔的中心位置与探测器端面的中心位置处于同一水平高度，同时，调整线栅和四分之一波片沿竖直方向的倾斜装配角度为1
°‑2°
，防止四分之一波片本身引入的反射光干扰法拉第旋转测量。
59.(4)装配线栅和四分之一波片的旋转机构分别连接到两台步进电机上，可以实现旋转精细控制。在相同等离子体放电条件下，按照1
°
为间隔，调节线栅旋转机构，实时监测电子密度上升/下降阶段相位分析仪上法拉第信号的振荡幅度。通过监测6炮放电数据(旋转范围：
±5°
)，记录法拉第信号振荡幅度的最小值a，以及此时四分之一波片的光轴和线栅方向的夹角α1。
60.(5)与步骤(4)类似，在同样的等离子体放电条件下，按照1
°
度为间隔，调节四分之一波片旋转机构，实时监测电子密度上升/下降阶段相位分析仪上法拉第信号的振荡幅度。通过监测6炮放电数据(旋转范围：
±5°
)，记录法拉第信号振荡幅度的最小值b，以及此时四
分之一波片的光轴和线栅方向的夹角α2。
61.(6)对比步骤(4)和步骤(5)中记录的法拉第信号振荡幅度的最小值a和b，选择出线栅和四分之一波片的最佳位置。再次跟踪等离子体放电测量，此时相位分析仪中获得的信号为最大程度滤除探测器端面反馈光干扰后的法拉第旋转角有效值。图3-图6是本反馈光隔离系统在hl-2a等离子体放电实验中的应用结果。
62.上面对本发明的实施例作了详细说明，本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。