Интерферометр для диагностики плазмы

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 В 9/02

ГОСУДАРСТВЕЮЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3485835/25 (22) 26.08.82 (46) 23.06,93. Бюл. ЛЬ 23 (71) Институт высоких температур AH СССР (72)Щ.Н.Пятницкий, В.А.Фонькин ги Г.ГЯку-.

° . Ъ шею (56) Пятницкий Л.Н., Фонькин В.А., Якушев

Г.Г. Лазерная интерферометрия в видимомй и ближней инфракрасной части спектра.

Физические методы исследования прозрачных неоднородностей. Тезисы докладов

МДНТП, M., 1982, с.13.

Авторское свидетельство СССР

М 261489, кл. 6 01 J 21/46, 1969. (54)(57) ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ДИАГНО

СТИКИ ПЛАЗМ61, содержащий последовательно установленные по ходу излучения лазер, заполненный плазмой зеркальный резонатор интерферометра с элементом управления одним из его зеркал и систему фоторегистрации, систему автоподстройки пропускания интерферометра, фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью диагностики частично иониэированной

Изобретение относится к оптико-интерференционным средствам для исследования прозрачных неоднородностей и может быть использовано для диагностики частично ионизированной плазмы в плаэмотронах, токамаках, газораэрядных лазерах и плазменных ускорителях.

Цель изобретения — возможность диагностики частично ионизированной плазмы и повышение чувствительности измерений;

На фиг,1 приведена функциональная схема интерферометра, на фиг.2 — график, поясняющий принцип амплитудно-фаэовой модуляции кривой и ропускания интерферомет.ра.

09) (!!)

1 плазмы и повышения чувствительности измерений, в него дополнительно введены . вторая система автоподстройки, фотоприемник, установленный на оси лазера со стороны, противоположной резонатору интерферометра, генератор опорной частоты, причем лазер и система фоторегистрации выполнены многоволновыми, лазер снабжен двумя элементами управления положением. его зеркал, резонатор интерферометра выполнен кольцевым, а каждая .система автоподстройки состоит иэ полосового фильтра, фазового детектора с двумя входами и выходом усилителя постоянного тока, при этом выход генератора подключен к одному иэ элементов управления лазера, и к одним из входов фазовых детекторов, фотоприемники подключены к другим входам детекторов через полосовые фильтры, а выходы фазовых детекторов через усилители постоянного тока подключены к другому элементу управления лазера и элементу управления резонатора интерферометра соответственно.

О еиеиЪ

Устройство содержит многоволновой лазер 1; резонатор 2 с расположенной в нем 0 плазмой 3; систему 4 фоторегистрации, ОО включающую в себя фотоприемник 5, свето- Ch) фильтр 6, селективные зеркала 7 и 8, светофильтры 9 и 10, фетоориеииики 11 и 12 и ), » регистратор 13, первую систему 14 автоподстройки, включающую в себя полосовой фильтр 15, фазовый детектор 16 с двумя входами и выходом и усилитель 17 постоянного тока; генератор 18 опорной частоты;. управляемый элемент 19 с зеркалом резонатора; расположение на оси лазера со стороны, противоположной резонатору интерферометра, светофильтр 20, фотапри1091683 емник 21, вторую систему 22 автоподстройки, состоящую иэ полосового фильтра 23, фазового детектора 24 с двумя входами и выходом и усилителя 25 постоянного тока: элементы управления зеркалами 26 и 27 лазера. дисперсионный элемент 28 и зеркала

29 и 30 резонатора.

При этом многоволновый лазер 1 имеет следующие характеристики: рабочая смесь Не-Ne при общем давлении 200-300

Па и при отношении давлений Не к Ne 8-10, отношение диаметра активного элемента к его длине 0,02-0,03, коэффициент отражения выходного зеркала на длинах волн 0,63:

1,15 и 3,39 мкм соответственно 98-98,5; 8595 и 10-15, коэффициент отражения глухого зеркала на длинах волн 0,63; 1,15 и 3,39 мкм соответственно 99,5; 99,5 и 25-30 .

Выход генератора 18 подключен к элементу управления лазера 27 и к одним из входов детекторов 16 и 24, фотоприемники

11 и 21 подключены к другим входам детекторов 16 и 24 через полосовые фильтры 15 и

23, а выходы детекторов 16 и 24 через усилители 17 и 25 подключены к элементу управления .19 резонатора 2 и элементу управления зеркалом 26 лазера 1, Устройство работает следующим образом, Излучение лазера 1, проходящее через резонатор 2 интерферометра,попадает в систему регистрации 4 и регистрируется фотоприемниками 5, И, 12. Известно, что пропускание резонатора типа Фабри Перо представляет собой ряд узких максимумов, причем расстояние между соседними мак,симумами соответствует изменению оптической длины резонатора на величину

il/2 (А — длина волны излучения лазера).

Длина резонатора интерферометра подстраивается таким образом, чтобы пропускание соответствовало одному из максимумов кривой пропускания, При возникновении плазмы 3 в резонаторе 2 изменяется его оптическая длина, что вызывает изменение пропускания интерферометром лазерного излучения; По величине зарегистрированного фотоприемником изменения интенсивности излучения.

Зная форму кривой пропускания интерферометра, можно определить изменение оптической длины интерферометра Л I =

= Л nIp, где Ь n — изменение показателя преломления газа, вызванное ионизацией, Ip — длина плазмы. Определив Л и, можно найти концентрацию электронов, а также нейтральной компоненты плазмы, если измерение Ь и проводится не менее чем на двух длинах волн излучения.

Однако изменение пропускания интерферометра может происходить не только за счет возникновения плазмы, но и эа счет механических вибраций и температурного дрейфа. Для удержания пропускания интерферометра в максимуме кривой пропускания используется система автоподстройки относительных оптических длин резонатора лазера, образованного зеркалами 26 и 27, и

10 резонатора интерферометра. в которой использован метод амплитудно-фазовой модуляции. Принцип работы системы автоподстройки иллюстрируется фиг.2. С выхода генератора 18 (фиг.1) на элемент уп15 равления зеркалом 27 подается синусоидальное напряжение с частотой и, которое осуществляет модуляцию длины волны излучения лазера. Кривая на фиг.2 — функция пропускания интерферомвтра в одном мак20 симуме. По оси ординат отложено выходное напряжение фотоприемника Ue x, а по оси абсцисс —. изменение оптической длины резонатора 2 или изменение частоты зондирующего излучения лазера. Вершина максимума соответствует настройке интерферометра на некоторую среднюю частоту излучения лазера Л f. Если интерферометр настроен на вершину максимума пропускания (точка В), то частота переменного напря30 жения на выходе фотоприемника равна удвоенной частоте модуляции. При смещении рабочей точки в точку А напряжение

U > будет иметь частоту в и сдвиг фаз с модулирующим напряжением, равным 0, а

35 при смещении в точку С вЂ” 1800.

Сигнал с фотоприемника 11 (фиг.1), промодулированный по амплитуде и фазе, через полосовой фильтр 15 поступает на вход фазового детектора 16, на другой вход кото40 рого подается сигнал с генератора опорной частоты 18. В случае нахождения интерферометра в точке В (фиг.2) усиленный сигнал имеет частоту 2 а и выходное напряжение фазового детектора 16 будет равно О. Когда

45 же интерферометр находится в точках A или

С, с фазового детектора на усилитель поступает положительный или отрицательный сигнал, управляет работой элемента 19 и изменяет длины резонатора 2, компенсиру50 ет нестабильности, вызвавшие уход интерферометра из рабочей точки В. Таким образом, система автоподстройки заставляет интерферометр находиться постоянно в вершине максимума пропускания, компен55 сируя при этом действие механических и тепловых нестабильностей, Система автоподстройки компенсирует не только паразитные нестабильности, но и частично полезный сигнал, вызванный воз1091683 никновением в резонаторе интерферомет- интерферометра и позволяет применять инра плазмы. Нотаккакизмерение ведетсяна терферометр при больших уровнях вибранескольких длинах волн излучения одновре- ции. менно, а система автоподстройки работает Мощность генерации лазера на длине на одной длине волны, то при расчете пара- 5 волны 0,63 мкм — 2-3 мВт, на 1,15 мкм— метров плазмы можно учесть действие сис- 2-4 мВт, на 3,39 мкм-5-8 мВт в зависимости темы автоподстройки. Механические от добротности резонатора и тока накачки. вибрации и температурные нестабильности Такие характеристики лазера. как давдействуют не только на резонатор интерфе- ление рабочей смеси длины и диаметр акрометра, но и на резонатор лазера. Это 10 тивного элемента, . ток накачки и приводит как к колебаниям мощности излу- добротность резонатора на генерируемых чения лазера, так и его частоты. В гелий-не- линиях, подбирались экспериментально, оновом лазере при одновременной исходя из оптимальной величины мощности генерации конкурирующих линий с длиной . на каждой линии и ее стабильности. волны 0.63; 1.15 и 3,39 мкм изменение дли- 15 Экспериментально найдено, что оптины резонатора, приводящее к изменению мальная длина активного элемента при генерируемой частоты, вызывает большие внутреннемдиаметре2-2,5ммдолжна быть колебания генерируемой мощности излуче- 0,8-1,2 м. Активный элемент для уменьшения, особенно на линиях с малыми коэффи- ния шумов излучения изготавливают с дву, циентами усиления 0,63 и 1,15 мкм. Так как 20 мя холодными катодами при одном общем линии генерации имеют общие уровни (0,63 аноде. Ток накачки при устойчивости генеи 3,39 мкм — общий верхний уровень 1,15 рации на всех трех линиях излучения мог мкм и 0,63 мкм — общий нижний уровень), то изменяться от 10 до 20 мА, причем уменьшеконтуры мощности генерации лазера на ние тока накачки увеличивает выходящую каждой из линий имеют минимум или мак- 25 мощность на линии 0,63 мкм, а его увеличесимум при настройке резонатора лазера на ние приводит к увеличению выходной мощцентрлинииусиления, причем в зависимо- ности на линиях 1,15 и 3,39 мкм и сти от условий генерации на одной или двух соответственно к уменьшению мощности на линиях будет максимум, а на третьей мини- линии 0,63 мкм. Суммарная мощность на мум. 30 всех трех линиях при изменении тока накачРабота системы 22 автоподстройки ре- ки изменяется мало и составляет 12-14 мВт зонатора лазера 1 аналогична работе систе- . в зависимости от добротности резонатора. мы автоподстройки 14. Вторая система 22 Отношение мощностей излучения лазеавтоподстройки, на один из входов которой ра на генерируемых линиях можно также подается через фотоприемник 21 сигнал иэ- 35 изменять наложением неоднородного маглучения лазера на одной из длин волн гене- нитного поля, которое уменьшает мощность рации,. пропускаемый светофильтром 20, генерации на 2,29 и 1,15 мкм и увеличивает подстраивает резонатор лазера 1 на центр ее на линии на 0,63 мкм. линии усиления на какой-нибудь из генери- Интерферометр такой конструкции поруемых линий излучения, предпочтительно 40 зволяет значительно увеличить чувствительпо более короткой длине волны (0,63 мкм). ность (до 10 порядка интерференции) и

При этом происходит как стабилизация расширитьдинамическийдиапазонизмеремощности излучения лазера на .всех трех ний, т.е., использовать весь склон кривой генерируемых длинах волн, так и частот из- пропускания интерферометра, так как раболучения лазера, При этом система 4 фоторе- 45 чая точка интерферометра всегда находится гистрации излучения интерферометра в вершине максимума пропускания на длирегистрирует изменения мощности излуче- не волны стабилизации и может быть устания лазера как полезный сигнал. Таким об- новлена дисперсионным элементом в разом, введение второй системы любую точку кривой пропускания на остальавтоподстройкти значительно увеличивает 50 ных двух длинах волн. чувствительность интерферометра, особен- Существенно уменьшается требование но при диагностике квазистационарной к виброизоляции и температурной стабильплазмы (не менее, чем в 10 раз). Колебания . ности устройства. Интерферометр может мощности излучения, вызванные изменени- работать при наличии вибраций амплитудой ем длины резонатора лазера, составляютдо 55 до 3-5 мкм в частотном диапазоне 0-30 Гц и

10 „а при стабилизации мощности умень- до 1 мкм в частотном диапазоне 30-5000 Гц. шаются до 1-0,5 . Кроме того, уменьшение Повышенная виброустойчивость интерфенестабильности мощности и частот излуче- рометра, приводящая увеличению его чувния лазера облегчает работу системы авто- ствительности, достигнута введением матической подстройки длины резонатора второй системы автсматической подстрай1091683 сти излучения лазера без потери точности измерения, фиа 1 авиа. 2

Составитель

Техред M.Ìîðãåèòàë Корректор А.Козориз

Редактор Л.Письман

Заказ.2376 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ки длины и применением в обоих системах автоподстройки амплитудно-фазавой модуляции. Это дает возможность значительно увеличить коэффициент усиления в цепи обратной связи и расширить диапазон отра-6oTKv паразитных механических вибраций по сравнению с методом усиления сигнала по постоянному току, использованному в известном устройстве. Удержание рабочей точки интерферометра в вершине максимума кривой пропускания позволяет также снизить требования к стабильности мощноПрименение лазера. работающего на

5 нескольких длинах волн излучения, позволяет проводить диагностику не только полностью иониэованной, но и частично иониэованной плазмы. Использование одного лазера вместо двух в известном, кроме

10 того. значительно упрощает оптическую схему интерферометра и его механическую конструкцию.