Оптическая система дисперсионного интерферометра Российский патент 2023 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к устройствам для диагностики плотности плазмы, а именно к оптическим системам интерферометров и может быть использовано для измерения линейной плотности плазмы или дисперсионных свойств любой среды, прозрачной для излучения интерферометра.

Известны дисперсионные интерферометры, работающие в ближнем инфракрасном (ИК) и видимом диапазоне длин волн (≈1 мкм и ≈0.5 мкм) [1]. Такой интерферометр ранее использовался на Газодинамической ловушке (ГДЛ) [2] и планируются для будущих термоядерных установок с большой плотностью плазмы [3].

Известны дисперсионные интерферометры (ДИ) на основе CO₂ лазера с искусственной фазовой модуляцией зондирующего излучения. Подобные интерферометры применяются на установках ГДЛ (г. Новосибирск, Россия) [4], W7-X (г. Грейфсвальд, Германия) [5], LHD (г. Токи, Япония) [6] и ранее применялся на установке TEXTOR (г. Юлих, Германия) [7].

Оптическая система этих интерферометров выбрана в качестве прототипа предложенного решения. Данные оптические системы содержат следующие элементы: линзы, нелинейный кристалл и уголковый отражатель. Оптическая система также включает CO₂ лазер и детектор, лучи всех гармоник распространяются по одному пути.

Недостатками вышеупомянутых оптических схем является их сложность. Кроме того, для их применения требуется мощный одночастотный лазер и чувствительный детектор. Принцип работы дисперсионного интерферометра позволяет подавлять влияние вибраций на результаты измерений, но не полностью. Это связано с наличием в тракте оптических элементов с дисперсией и неполным совмещением лучей первой и второй гармоник.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение чувствительности к вибрациям и расширение диапазона измерений с однозначным восстановлением фазы.

Указанный технический результат достигается тем, что в наиболее критической части оптической системы количество элементов с дисперсией уменьшено до минимума, уголковый отражатель механически изолирован от вакуумной камеры токамака, а также используется модуляция фазы с помощью эластооптической ячейки.

В классической схеме дисперсионного интерферометра (см., например, [1]) сигнал фотоприемника пропорционален интенсивности детектируемого излучения, которая является результатом интерференции лучей второй гармоники, генерируемых в нелинейных кристаллах до и после прохождения плазмы зондирующим излучением фундаментальной гармоники: , где I_1, I₂ – интенсивности интерферирующих лучей второй гармоники, а ∆φ – разность их фаз, пропорциональная интегральной плотности плазмы ∫n_edl и связанная с ней выражением: . В данном соотношении роль масштабных коэффициентов выполняют заряд электрона e, масса электрона m, скорость света c и длина волны зондирующего излучения λ. Поскольку зависимость сигнала фотодетектора от линейной плотности плазмы не является монотонной, для реализации алгоритма корректного её восстановления, подробно описанного в [8], в схему ДИ была добавлена эластооптическая ячейка. Она, под воздействием приложенного напряжения синусоидальной формы, искусственно изменяет набег фазы проходящего через нее излучения. В результате в аргументе функции, описывающей выходной сигнал ДИ, появляется осциллирующая компонента [8, 9]. При ее амплитуде M в π и более радиан выходной сигнал изменяется от максимума до минимума независимо от набега фазы ∆φ, обусловленного плазмой.

Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображена оптическая схема дисперсионного интерферометра. Основная часть схемы размещена на оптической плите 1, расположенной в нескольких метрах от вакуумной камеры токамака 2. На вакуумной камере установлены оптические окна 3 и уголковый отражатель 4. Источником излучения служит перестраиваемый по длине волны СО₂ лазер 5 (например, Access Laser AL50SG), настроенный в среднем инфракрасном диапазоне, например, на длину волны 9.6 мкм. После лазера установлена диафрагма 6, уменьшающая влияние излучения, отраженного элементами оптической системы на лазер. Далее лазерный луч проходит через клиновидную пластинку из германия 7, установленную под углом Брюстера. Малая доля излучения отражается на детектор 8 (например, DEXTER ST150), который позволяет контролировать мощность лазера. Излучение, идущее от оптической системы в лазер, отражается от другой поверхности этой пластинки и регистрируется вторым детектором 9 (например, DEXTER ST150). Лучи, являющиеся результатом многократного отражения от поверхностей пластинки, поглощаются конусовидными диафрагмами 10. Далее основная часть излучения проходит через механическую заслонку 11. Для обеспечения стабильности лазер работает в режиме непрерывной генерации, поэтому в целях безопасности эта заслонка в закрытом состоянии отражает излучение на охлаждаемый водой поглотитель, а открывается и пропускает лазерный луч в оптическую схему только во время измерения линейной плотности плазмы. Далее с помощью сферического зеркала 12 луч фокусируется в удвоитель частоты 13, в качестве которого используется нелинейный кристалл ZnGeP₂. Лучи, отражённые от граней кристалла, поглощаются поглотителями 14. В удвоителе частоты часть излучения преобразуется во вторую гармонику. Причём генерация организована так, что излучение первой и второй гармоник после удвоителя распространяются по одному пути. Далее луч с помощью ещё одного сферического зеркала 15 фокусируется в эластооптическую ячейку 16 (например, Hinds Instruments PEM-200 II/ZS50), которая служит для модуляции фазы. Она представляет собой плоскопараллельную пластину из ZnSe. Эта пластина с помощью двух пьезоэлектрических элементов, установленных на противоположных гранях пластины, сжимается и растягивается в одном направлении. При такой деформации изначально изотропный кристалл ZnSe становится анизотропным для излучения и показатель преломления для первой и второй гармоники становится разным. Это даёт дополнительный набег фазы между интерферирующими на детекторе лучами второй гармоники. К пьезоэлектрическим элементам приложено синусоидальное напряжение с частотой 50 кГц. Это даёт возможность реализовать надёжный алгоритм восстановления фазы, позволяющий восстановить практически любой набег фазы. После этого излучение с помощью нескольких плоских и одного сферического зеркала 17 направляется через вакуумное окно 3 в плазму токамака и далее через ещё одно окно 3 на уголковый отражатель 4. В качестве окон используются просветлённые на две длины волны (первая и вторая гармоника) плоскопараллельные пластины из ZnSe. Для защиты обращённой к плазме поверхности окон от тлеющего разряда на этапе подготовки к рабочему разряду, а также для их оперативной замены, между каждым окном и вакуумной камерой установлены вакуумные затворы. Уголковый отражатель установлен относительно падающего излучения с небольшим смещением, поэтому отражённое излучение идёт параллельно падающему в обратную сторону со смещением на 2 см. Далее это обратное излучение снова проходит через вакуумные окна и плазму и на входе в оптическую схему с помощью зеркала 18 отводится в сторону от прямого. Далее с помощью сферического зеркала 19 излучение фокусируется во второй удвоитель частоты 20. Этот удвоитель частоты идентичен первому. Здесь также излучение первой гармоники частично преобразуется во вторую гармонику. При этом вторая гармоника, полученная в первом кристалле, не преобразуется в четвёртую или обратно в первую из-за того, что её мощность в ~10⁵ раз меньше мощности первой гармоники. После удвоителя уже три луча идут далее по одному пути. Как и в первом удвоителе, излучение, отражённое от одной из граней, поглощается поглотителем 21. Излучение, отражённое от другой грани с помощью двух зеркал, попадает на датчик положения пучка 22, который представляет собой пять детекторов (например, DEXTER ST150), расположенных на плоскости перпендикулярной лучу в форме креста. Он используется при юстировке оптической системы и для контроля качества юстировки во время работы интерферометра. Излучение, прошедшее через удвоитель частоты, попадает на фильтр 23 в виде клиновидной пластины из LiF, установленную под углом Брюстера для второй гармоники, которая полностью поглощает излучение первой гармоники и прозрачна для второй гармоники. Излучение, отражённое чётное число раз от граней фильтра и идущее в том же направлении, что и основное излучение, поглощается конусовидной диафрагмой 24. Далее излучение второй гармоники с помощью двух зеркал фокусируется в основной детектор 25 (например, VIGO System PVI-4TE) и регистрируется им. Выходной сигнал детектора 25 передается измерительному модулю для восстановления значений интегральной плотности плазмы. Более детально этот модуль и алгоритмы его работы были описаны в [8].

Для первоначальной настройки прохождения излучения интерферометра через вакуумную камеру токамака используется видимое излучение полупроводникового лазера 26 длиной волны 635 нм. С помощью двух сферических зеркал формируется нужный для прохождения большого расстояния без заметной расходимости размер пучка и волновой фронт и далее с помощью плоского зеркала 27, которое на время настройки вставляется на пути ИК луча, совмещается с ИК излучением. После настройки это зеркало убирается и проводится окончательная настройка ИК пучков.

С целью исключения влияния вибраций вакуумной камеры на результаты измерений уголковый отражатель был размещён на отдельной стойке, механически изолированной от вакуумной камеры токамака.

Оптическая система ДИ работает следующим образом. Дисперсионный интерферометр измеряет разность фаз между двумя лучами, идущими по одному пути, но имеющими разную длину волны. В отличие от классических интерферометров, у которых лучи имеют одинаковую длину волны, но идут по разному пути. Данная схема отличается от двухцветных интерферометров тем, что второй цвет в этой системе получается с помощью удвоения частоты небольшой части первого цвета в нелинейном кристалле. При этом процесс удвоения частоты происходит в режиме скалярного синхронизма, что обеспечивает максимальную эффективность и то, что первоначальный луч и луч на удвоенной частоте после удвоителя идут по одному пути. После прохождения исследуемой среды небольшая часть мощности луча на основной гармонике во втором удвоителе частоты вновь преобразуется во вторую гармонику и результат интерференции лучей на второй гармонике, полученных в первом и втором удвоителе регистрируется. При этом вибрации автоматически вычитаются.

Отличие этой схемы от созданных ранее схем заключается в следующем:

1. Использование в качестве источника излучения CO₂ лазера, работающего в среднем ИК диапазоне (≈9.6 мкм) и соответствующих удвоителей частоты для этого диапазона длин волн, а именно кристаллов ZnGeP₂. По сравнению с дисперсионными интерферометрами, работающими на длинах волн ≈1 мкм и ≈ 0.5 мкм это позволяет на порядок поднять чувствительность интерферометра к линейной плотности плазмы, во столько же раз уменьшить влияние вибраций, а также ослабить влияние деградации оптических свойств элементов интерферометра, размещённых в вакуумной камере и подвергающихся воздействию плазмы и потокам различных частиц.

2. Применение двух удвоителей частоты, что позволяет точнее настроится на синхронизм в нелинейном кристалле для увеличения сигнала и уменьшения влияния вибраций.

3. В критически важной для уменьшения влияния вибраций на результаты измерений части оптической схемы — между удвоителями частоты уменьшено до минимума количество и размер элементов с дисперсией (два вакуумных окна и эластооптическая ячейка), а те, что остались имеют плоскопараллельную форму.

4. Для модуляции фазы в этой оптической схеме используется эластооптическая ячейка. Это устройство добавляет к измеряемой фазе синусоидальную добавку с частотой 50 кГц и амплитудой порядка одного радиана. С помощью быстрого преобразования Фурье сигнала может быть получена амплитуда гармоник частоты модуляции, которая пропорциональна синусу и косинусу измеряемой фазы, что в свою очередь позволяет восстановить любую фазу. Предел сверху может быть ограничен разрядностью данных и оптическими ограничениями: отсечка и рефракция при большой плотности плазмы.

Описанная оптическая система применена в дисперсионном интерферометре, который является частью диагностического комплекса токамака Глобус-М2 (г. Санкт-Петербург, Россия).

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

[1] Alum Kh.P., Kovalchuk Yu.V., Ostrovskaya G.V. // Pisma Zh. Tekh. Fiz. 1981. V. 7. P. 1359.

[2] Drachev V. P., Krasnikov Yu. I., Bagryansky P. A. Dispersion interferometer for controlled fusion devices. — Новосибирск, 1991. — (Препринт/Институт теплофизики CO АН СССР; 248-91);

[3] T. Akiyama et al. Nucl. Fusion 55 (2015) 093032;

[4] Соломахин А.Л., Багрянский П.А., Воскобойников Р.В., Зубарев П.В., Квашнин А.Н., Лизунов А.А., Максимов В.В., Хильченко А.Д. Дисперсионный интерферометр на основе CO₂ лазера. – Приборы и техника эксперимента, 2005, N5, с. 96-106.;

[5] J. Knauer et al. 43rd EPS Conference on Plasma Physics P4.017;

[6] T. Akiyama et al. 2015 JINST 10 P09022;

[7] Dreier H., Bagryansky P., Baumgarten N., Biel W., Lambertz H. T., Lehnen M., Lizunov A., Solomakhin A. First results from the modular multi-channel dispersion interferometer at the TEXTOR tokamak. – Review of Scientific Instruments, 2011, 82, 063509;

[8] Иваненко С.В., Гринемайер К.А., Пурыга Е.А., Квашнин А.Н., Багрянский П.А. Измерительный модуль дисперсионного интерферометра на основе СО₂ лазера для управления плотностью плазмы. – ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2022, т. 45, вып. 1, с. 67 – 78;

[9] Хильченко А.Д., Квашнин А.Н., Иваненко С.В., Зубарев П.В., Моисеев Д.В., Коваленко Ю.В. Измерительный комплекс дисперсионного интерферометра на основе CO₂ лазера. – Приборы и техника эксперимента, 2009, Nо 3, с. 78-90.

Оптическая система дисперсионного интерферометра относится к устройствам для диагностики плотности плазмы. Изобретение может быть использовано для измерений линейной плотности плазмы или дисперсионных свойств любой среды, прозрачной для излучения интерферометра. Техническим результатом изобретения является уменьшение чувствительности к вибрациям и расширение диапазона измерений с однозначным восстановлением фазы. Оптическая система дисперсионного интерферометра так же включает CO₂ лазер с длиной волны в среднем инфракрасном диапазоне. А также два удвоителя частоты среднего инфракрасного диапазона, между которыми по пути прохождения лазерного луча расположены два вакуумных окна и эластооптическая ячейка, которая используется для модуляции фазы. Уголковый отражатель размещён на отдельной стойке, механически изолированной от вакуумной камеры токамака. Техническим результатом изобретения является уменьшение чувствительности к вибрациям и расширение диапазона измерений с однозначным восстановлением фазы. 3 з.п. ф-лы. 1 ил.

1. Оптическая система дисперсионного интерферометра, включающая CO₂ лазер, систему зеркал, датчик положения пучка и детектор, отличающаяся тем, что используется излучение CO₂ лазера с длиной волны в среднем инфракрасном диапазоне, соответствующие для среднего инфракрасного диапазона два удвоителя частоты, между которыми по пути прохождения лазерного луча расположены два вакуумных окна и эластооптическая ячейка, а уголковый отражатель размещён на отдельной стойке, механически изолированной от вакуумной камеры токамака.

2. Оптическая система дисперсионного интерферометра по п. 1, отличающаяся тем, что удвоители частоты представляет собой кристаллы ZnGeP₂.

3. Оптическая система дисперсионного интерферометра по п. 1, отличающаяся тем, что эластооптическая ячейка представляет собой плоскопараллельную пластину из ZnSe, выполненную с возможностью сжатия и растяжения в одном направлении с помощью двух пьезоэлектрических элементов, установленных на противоположных гранях пластины.

4. Оптическая система дисперсионного интерферометра по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве вакуумных окон используются просветлённые на две длины волны на первую и вторую гармоники плоскопараллельные пластины из ZnSe.