一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，包括多臺(tái)激光器光源，多臺(tái)激光器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每臺(tái)激光器光源的輸出光路中心線上分別設(shè)有可調(diào)的反射鏡，經(jīng)反射鏡后光束方向相同且彼此獨(dú)立互不影響，位于反射光束的光路上依次設(shè)置有長(zhǎng)焦距的聚焦透鏡、光學(xué)吸收裝置，各反射光束通過(guò)聚焦透鏡后匯聚為一束，然后入射至光學(xué)吸收裝置，由光學(xué)吸收裝置吸收末端的激光脈沖。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)多束同波長(zhǎng)、同偏振方向激光脈沖的合束，可提高激光脈沖的頻率和能量，從而提高診斷系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和測(cè)量精確度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合束效率高、組裝調(diào)試方便和制造成本低等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及激光診斷裝置技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高時(shí)間和空間分辨率激光湯姆遜散射診斷是目前聚變等離子體診斷研究的重要方向，是公認(rèn)的電子溫度和密度分布測(cè)量的最精確手段。
[0003]目前湯姆遜散射診斷被廣泛應(yīng)用于世界各地的磁約束聚變裝置上，典型的有歐洲的JET、美國(guó)的DII1-D、日本的LHD和中國(guó)的EAST。國(guó)際磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER也是把湯姆遜散射診斷作為最重要的診斷技術(shù)以獲得等離子體電子溫度和密度數(shù)據(jù)。
[0004]為了給L-H轉(zhuǎn)換等快物理過(guò)程的研究提供基本診斷工具，分析其內(nèi)在物理過(guò)程，需要提高診斷系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和測(cè)量精度，對(duì)光源系統(tǒng)提出了極高的要求:高頻率(MHz )、高能量(5J)脈沖激光光源。然而受制于激光技術(shù)的發(fā)展，目前只能生產(chǎn)出百赫茲的高能量脈沖激光器。隨著頻率的增加，其脈沖能量必然降低。所以激光合束技術(shù)需要發(fā)展和研究?，F(xiàn)在主要有兩種方法用來(lái)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)激光光源的合束。一種方法是針對(duì)不同波長(zhǎng)的激光光源，然后利用鍍膜反射鏡實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光束的高反和高透，達(dá)到合束的目的。另一種方法是針對(duì)不同偏振態(tài)的激光光源，利用薄膜偏振片作為合束鏡片，從而完成對(duì)S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光的合束。第二種方法結(jié)合法拉第旋光器可以實(shí)現(xiàn)同波長(zhǎng)、同偏振態(tài)激光的合束，但是這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，效率低且很難應(yīng)用于超高頻光源合束。綜上所述，針對(duì)湯姆遜散射診斷的技術(shù)要求，以上合束方法均存在缺點(diǎn)或不足，皆不能有效提高光源的脈沖頻率和能量。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置。
[0006]本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，其特征在于:包括多臺(tái)激光器光源，多臺(tái)激光器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每臺(tái)激光器光源發(fā)出的激光均為短脈沖激光，且多臺(tái)激光器光源發(fā)出的激光偏振態(tài)及偏振方向相同，位于每臺(tái)激光器光源的輸出光路中心線上分別設(shè)有可調(diào)的反射鏡，多個(gè)反射鏡均在同一水平高度上，每個(gè)反射鏡反射面分別朝向各自對(duì)應(yīng)的激光器光源且多個(gè)反射鏡反射面方向相同，多個(gè)反射鏡位置依次錯(cuò)開(kāi)，使反射光路方向相同且彼此獨(dú)立互不影響，多臺(tái)激光器光源發(fā)出的激光經(jīng)各自對(duì)應(yīng)的反射鏡反射后，呈相互平行的反射光束，位于反射光束的光路上依次設(shè)置有聚焦透鏡、光學(xué)吸收裝置，各束反射光束通過(guò)聚焦透鏡合束為一束光束后入射至光學(xué)吸收裝置，由光學(xué)吸收裝置吸收末端的激光脈沖，降低雜散光對(duì)散射信號(hào)的影響。
[0008]所述的一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，其特征在于:每個(gè)反射鏡均為高損傷閾值、高反射率鍍膜鏡片，為了避免使用中相互影響，每個(gè)反射鏡遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的激光器光源出光口的一個(gè)棱角必須切除。
[0009]所述的一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，其特征在于:多臺(tái)激光器光源可以同時(shí)刻或者相繼發(fā)出短脈沖激光。
[0010]所述的一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，其特征在于:所有激光器光源、反射鏡置于同一大型隔振光學(xué)平臺(tái)上，降低因激光器光源震動(dòng)帶來(lái)的散射區(qū)光束不穩(wěn)定性。
[0011]本實(shí)用新型利用多個(gè)特制反射鏡片和長(zhǎng)焦距聚焦透鏡，經(jīng)長(zhǎng)距離激光脈沖傳輸后，在信號(hào)接收方向?qū)崿F(xiàn)光束的完全重合。在其垂直視角，散射區(qū)光束重合度達(dá)到90%以上。本實(shí)用新型不僅對(duì)光束個(gè)數(shù)沒(méi)有嚴(yán)格限制，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，可以實(shí)現(xiàn)同波長(zhǎng)、同偏振方向激光脈沖的尚頻合束，也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光脈沖的同時(shí)發(fā)射，提尚激光脈沖能量。綜上所述，為了提高湯姆遜散射診斷系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和測(cè)量精度，本實(shí)用新型方法切實(shí)可行，并已經(jīng)在EAST托卡馬克裝置上得到應(yīng)用和驗(yàn)證。
[0012]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:本實(shí)用新型利用多個(gè)特制反射鏡片和長(zhǎng)焦距聚焦透鏡，激光束經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后，在信號(hào)接收方向?qū)崿F(xiàn)光束的完全重合。在其垂直視角，散射測(cè)量區(qū)達(dá)至Ij90%以上的光束重合度。本實(shí)用新型不僅對(duì)光束個(gè)數(shù)沒(méi)有嚴(yán)格限制，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，可以實(shí)現(xiàn)同波長(zhǎng)、同偏振態(tài)激光脈沖的高頻合束，也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光脈沖的同時(shí)發(fā)射，提高激光脈沖能量。綜上所述，為了提高湯姆遜散射診斷系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和測(cè)量精度，本實(shí)用新型方法切實(shí)可行，并已經(jīng)在EAST托卡馬克裝置上得到應(yīng)用和驗(yàn)證。
[0013]本實(shí)用新型裝置對(duì)于湯姆遜散射診斷系統(tǒng)至關(guān)重要，可顯著提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和測(cè)量精度，更快速、準(zhǔn)確的獲取磁約束聚變等離子體物理數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，便于調(diào)試;合束過(guò)程中單個(gè)激光能量幾乎沒(méi)有衰減，效率高;不僅可提高激光脈沖頻率還可以提尚脈沖能量;安裝制造成本低。
【附圖說(shuō)明】

[0014]圖1為激光器和四道光束布局示意圖。
[0015]圖2為不同視角觀測(cè)激光光束合束示意圖。
[0016]圖3為合束后激光脈沖時(shí)序不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖1、2所示，一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，包括多臺(tái)激光器光源2，多臺(tái)激光器光源2出光口方向一致且均在同一水平高度上，每臺(tái)激光器光源2發(fā)出的激光均為短脈沖激光，且多臺(tái)激光器光源發(fā)出的激光偏振態(tài)及偏振方向相同，位于每臺(tái)激光器光源2的輸出光路中心線上分別設(shè)有可調(diào)的反射鏡3，多個(gè)反射鏡3均在同一水平高度上，每個(gè)反射鏡3反射面分別朝向各自對(duì)應(yīng)的激光器光源2且多個(gè)反射鏡3反射面方向相同，多個(gè)反射鏡3位置依次錯(cuò)開(kāi)，使反射光路方向相同且彼此獨(dú)立互不影響，多臺(tái)激光器光源2發(fā)出的激光經(jīng)各自對(duì)應(yīng)的反射鏡3反射后，呈相互平行的反射光束4，位于反射光束4的光路上依次設(shè)置有長(zhǎng)焦距的聚焦透鏡5、光學(xué)吸收裝置7，各束反射光束4通過(guò)聚焦透鏡5合束為一束光束后入射至光學(xué)吸收裝置7，由光學(xué)吸收裝置7吸收末端的激光脈沖，降低雜散光對(duì)散射信號(hào)的影響。
[0018]每個(gè)反射鏡3均為高損傷閾值、高反射率鍍膜鏡片，為了避免使用中相互影響，每個(gè)反射鏡3遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的激光器光源2出光口的一個(gè)棱角必須切除。
[0019]多臺(tái)激光器光源2可以同時(shí)刻或者相繼發(fā)出短脈沖激光。
[0020]所有激光器光源2、反射鏡3置于同一大型隔振光學(xué)平臺(tái)I上，降低因激光器光源2和反射鏡3振動(dòng)帶來(lái)的散射區(qū)光束不穩(wěn)定性。
[0021]本實(shí)用新型包括有一大型隔振光學(xué)平臺(tái)I，四臺(tái)激光器光源2，置于每個(gè)激光器光束中心線上的反射鏡3，激光光束4和大口徑長(zhǎng)焦距聚焦透鏡5，散射測(cè)量區(qū)6和置于光束末端的光學(xué)吸食器7。為了減少高能量脈沖對(duì)反射鏡的損傷，每個(gè)激光脈沖的能量分布均為超高斯分布。合束調(diào)節(jié)過(guò)程中，首先調(diào)節(jié)保證所有激光器出口光束中心線在同一高度，激光水平偏振。調(diào)整特制反射鏡3的位置和角度，保證經(jīng)反射鏡反射后的相鄰光束之間足夠靠近(約2mm)。使用特制反射鏡上的微調(diào)旋鈕，逐步調(diào)整實(shí)現(xiàn)光束經(jīng)透鏡后在散射區(qū)重合，如圖2所示。從信號(hào)收集透鏡正視圖(圖2下)，四束光束完全重合，經(jīng)收集透鏡后成像在信號(hào)接收光纖端面上。在散射測(cè)量區(qū)，光束重合度超過(guò)90%，符合診斷技術(shù)的要求。
[0022]以EAST托卡馬克湯姆遜散射診斷系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)為例，采用四道激光合束后，系統(tǒng)的時(shí)間分辨率從1Hz提高到MHz以上;脈沖串的工作模式和時(shí)間間隔如圖3所示。此外，激光脈沖還可以同時(shí)發(fā)出，以提高激光脈沖能量進(jìn)而改善系統(tǒng)的測(cè)量能力和數(shù)據(jù)精度。經(jīng)過(guò)約40米的傳輸，四束激光在散射測(cè)量區(qū)域接近重合，光束中心線最大間距小于1mm，重合度超過(guò)90%，可以近似認(rèn)為不同激光脈沖所對(duì)應(yīng)的散射區(qū)相同，便于高頻激光脈沖所得診斷數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。四臺(tái)激光器參數(shù)如下，輸出能量和波長(zhǎng):最大6J@1064nm;出口光斑直徑:22mm;發(fā)散角(全角):.5mrad ；指向穩(wěn)定性:^60urad ；脈沖頻率:1Hz，據(jù)此參數(shù)分析和設(shè)計(jì)合束系統(tǒng)。激光器布局如圖1所示;考慮到反射鏡面型(材料不能太薄)和合束參數(shù)(小的光束間距)的要求，特設(shè)計(jì)加工四面特殊形狀的高反鏡。在激光器出口附近光斑邊緣間距2毫米(中心間距11 + 11+2=24毫米)，光束軸線夾角:24mm/40m=0.6mrad。經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后，在光束束腰附近，收集透鏡可測(cè)區(qū)域約0.85米長(zhǎng)，所以相鄰光束間光束中心線最大間距為0.5*0.85m*0.6mrad?0.25mm，四束激光在收集透鏡視角景深(圖2上)0.25mm*(4-l)=0.75mm〈1mm，在收集透鏡視角(圖2下)完全重合，如圖2所示，滿足診斷系統(tǒng)對(duì)激光光源的要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，其特征在于:包括有多臺(tái)激光器光源，所述的多臺(tái)激光器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每臺(tái)激光器光源發(fā)出的激光均為短脈沖激光，且多臺(tái)激光器光源發(fā)出的激光偏振態(tài)及偏振方向相同，位于每臺(tái)激光器光源的輸出光路中心線上分別設(shè)有可調(diào)的反射鏡，所述的多個(gè)反射鏡均在同一水平高度上，每個(gè)反射鏡的反射面分別朝向各自對(duì)應(yīng)的激光器光源且多個(gè)反射鏡的反射面方向相同，多個(gè)反射鏡位置依次錯(cuò)開(kāi)，使反射光路方向相同且彼此獨(dú)立互不影響，多臺(tái)激光器光源發(fā)出的激光經(jīng)各自對(duì)應(yīng)的反射鏡反射后，呈相互平行的反射光束，位于反射光束的光路上依次設(shè)置有長(zhǎng)焦距的聚焦透鏡、光學(xué)吸收裝置，各束反射光束通過(guò)聚焦透鏡合束為一束光束后入射至光學(xué)吸收裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，其特征在于:所述的每個(gè)反射鏡均為高損傷閾值、高反射率鍍膜鏡片，將每個(gè)反射鏡遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的激光器光源出光口的棱角切除。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，其特征在于:多臺(tái)激光器光源可以同時(shí)刻或者相繼發(fā)出短脈沖激光，每個(gè)激光脈沖的波長(zhǎng)和偏振態(tài)均相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于湯姆遜散射診斷的高頻脈沖激光合束裝置，其特征在于:所有激光器光源、反射鏡置于同一大型隔振光學(xué)平臺(tái)上。
【文檔編號(hào)】G02B27/14GK205720907SQ201620574453
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】韓效鋒, 臧慶, 胡愛(ài)蘭, 肖樹(shù)妹, 李達(dá)
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所