一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置的製造方法
2024-02-18 07:50:15
一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，包括多臺雷射器光源，多臺雷射器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每臺雷射器光源的輸出光路中心線上分別設有可調的反射鏡，經反射鏡後光束方向相同且彼此獨立互不影響，位於反射光束的光路上依次設置有長焦距的聚焦透鏡、光學吸收裝置，各反射光束通過聚焦透鏡後匯聚為一束，然後入射至光學吸收裝置，由光學吸收裝置吸收末端的雷射脈衝。本實用新型可實現多束同波長、同偏振方向雷射脈衝的合束，可提高雷射脈衝的頻率和能量，從而提高診斷系統的時間解析度和測量精確度，具有結構簡單、合束效率高、組裝調試方便和製造成本低等特點。
【專利說明】
一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及雷射診斷裝置技術領域，尤其涉及一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置。
【背景技術】
[0002]高時間和空間解析度雷射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，是公認的電子溫度和密度分布測量的最精確手段。
[0003]目前湯姆遜散射診斷被廣泛應用於世界各地的磁約束聚變裝置上，典型的有歐洲的JET、美國的DII1-D、日本的LHD和中國的EAST。國際磁約束核聚變實驗堆ITER也是把湯姆遜散射診斷作為最重要的診斷技術以獲得等離子體電子溫度和密度數據。
[0004]為了給L-H轉換等快物理過程的研究提供基本診斷工具，分析其內在物理過程，需要提高診斷系統的時間解析度和測量精度，對光源系統提出了極高的要求:高頻率(MHz )、高能量(5J)脈衝雷射光源。然而受制於雷射技術的發展，目前只能生產出百赫茲的高能量脈衝雷射器。隨著頻率的增加，其脈衝能量必然降低。所以雷射合束技術需要發展和研究。現在主要有兩種方法用來實現多臺雷射光源的合束。一種方法是針對不同波長的雷射光源，然後利用鍍膜反射鏡實現不同波長的光束的高反和高透，達到合束的目的。另一種方法是針對不同偏振態的雷射光源，利用薄膜偏振片作為合束鏡片，從而完成對S偏振態雷射與P偏振態雷射的合束。第二種方法結合法拉第旋光器可以實現同波長、同偏振態雷射的合束，但是這種方法結構複雜，穩定性差，效率低且很難應用於超高頻光源合束。綜上所述，針對湯姆遜散射診斷的技術要求，以上合束方法均存在缺點或不足，皆不能有效提高光源的脈衝頻率和能量。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置。
[0006]本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0007]—種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，其特徵在於:包括多臺雷射器光源，多臺雷射器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每臺雷射器光源發出的雷射均為短脈衝雷射，且多臺雷射器光源發出的雷射偏振態及偏振方向相同，位於每臺雷射器光源的輸出光路中心線上分別設有可調的反射鏡，多個反射鏡均在同一水平高度上，每個反射鏡反射面分別朝向各自對應的雷射器光源且多個反射鏡反射面方向相同，多個反射鏡位置依次錯開，使反射光路方向相同且彼此獨立互不影響，多臺雷射器光源發出的雷射經各自對應的反射鏡反射後，呈相互平行的反射光束，位於反射光束的光路上依次設置有聚焦透鏡、光學吸收裝置，各束反射光束通過聚焦透鏡合束為一束光束後入射至光學吸收裝置，由光學吸收裝置吸收末端的雷射脈衝，降低雜散光對散射信號的影響。
[0008]所述的一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，其特徵在於:每個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，每個反射鏡遠離對應的雷射器光源出光口的一個稜角必須切除。
[0009]所述的一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，其特徵在於:多臺雷射器光源可以同時刻或者相繼發出短脈衝雷射。
[0010]所述的一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，其特徵在於:所有雷射器光源、反射鏡置於同一大型隔振光學平臺上，降低因雷射器光源震動帶來的散射區光束不穩定性。
[0011]本實用新型利用多個特製反射鏡片和長焦距聚焦透鏡，經長距離雷射脈衝傳輸後，在信號接收方向實現光束的完全重合。在其垂直視角，散射區光束重合度達到90%以上。本實用新型不僅對光束個數沒有嚴格限制，而且系統簡單可靠，可以實現同波長、同偏振方向雷射脈衝的尚頻合束，也可以實現多個雷射脈衝的同時發射，提尚雷射脈衝能量。綜上所述，為了提高湯姆遜散射診斷系統的時間解析度和測量精度，本實用新型方法切實可行，並已經在EAST託卡馬克裝置上得到應用和驗證。
[0012]本實用新型的優點是:本實用新型利用多個特製反射鏡片和長焦距聚焦透鏡，雷射束經長距離傳輸後，在信號接收方向實現光束的完全重合。在其垂直視角，散射測量區達至Ij90%以上的光束重合度。本實用新型不僅對光束個數沒有嚴格限制，而且系統簡單可靠，可以實現同波長、同偏振態雷射脈衝的高頻合束，也可以實現多個雷射脈衝的同時發射，提高雷射脈衝能量。綜上所述，為了提高湯姆遜散射診斷系統的時間解析度和測量精度，本實用新型方法切實可行，並已經在EAST託卡馬克裝置上得到應用和驗證。
[0013]本實用新型裝置對於湯姆遜散射診斷系統至關重要，可顯著提高系統的時間解析度和測量精度，更快速、準確的獲取磁約束聚變等離子體物理數據。本實用新型裝置結構簡單可靠，便於調試;合束過程中單個雷射能量幾乎沒有衰減，效率高;不僅可提高雷射脈衝頻率還可以提尚脈衝能量;安裝製造成本低。
【附圖說明】
[0014]圖1為雷射器和四道光束布局示意圖。
[0015]圖2為不同視角觀測雷射光束合束示意圖。
[0016]圖3為合束後雷射脈衝時序不意圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1、2所示，一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，包括多臺雷射器光源2，多臺雷射器光源2出光口方向一致且均在同一水平高度上，每臺雷射器光源2發出的雷射均為短脈衝雷射，且多臺雷射器光源發出的雷射偏振態及偏振方向相同，位於每臺雷射器光源2的輸出光路中心線上分別設有可調的反射鏡3，多個反射鏡3均在同一水平高度上，每個反射鏡3反射面分別朝向各自對應的雷射器光源2且多個反射鏡3反射面方向相同，多個反射鏡3位置依次錯開，使反射光路方向相同且彼此獨立互不影響，多臺雷射器光源2發出的雷射經各自對應的反射鏡3反射後，呈相互平行的反射光束4，位於反射光束4的光路上依次設置有長焦距的聚焦透鏡5、光學吸收裝置7，各束反射光束4通過聚焦透鏡5合束為一束光束後入射至光學吸收裝置7，由光學吸收裝置7吸收末端的雷射脈衝，降低雜散光對散射信號的影響。
[0018]每個反射鏡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，每個反射鏡3遠離對應的雷射器光源2出光口的一個稜角必須切除。
[0019]多臺雷射器光源2可以同時刻或者相繼發出短脈衝雷射。
[0020]所有雷射器光源2、反射鏡3置於同一大型隔振光學平臺I上，降低因雷射器光源2和反射鏡3振動帶來的散射區光束不穩定性。
[0021]本實用新型包括有一大型隔振光學平臺I，四臺雷射器光源2，置於每個雷射器光束中心線上的反射鏡3，雷射光束4和大口徑長焦距聚焦透鏡5，散射測量區6和置於光束末端的光學吸食器7。為了減少高能量脈衝對反射鏡的損傷，每個雷射脈衝的能量分布均為超高斯分布。合束調節過程中，首先調節保證所有雷射器出口光束中心線在同一高度，雷射水平偏振。調整特製反射鏡3的位置和角度，保證經反射鏡反射後的相鄰光束之間足夠靠近(約2mm)。使用特製反射鏡上的微調旋鈕，逐步調整實現光束經透鏡後在散射區重合，如圖2所示。從信號收集透鏡正視圖(圖2下)，四束光束完全重合，經收集透鏡後成像在信號接收光纖端面上。在散射測量區，光束重合度超過90%，符合診斷技術的要求。
[0022]以EAST託卡馬克湯姆遜散射診斷系統光學參數為例，採用四道雷射合束後，系統的時間解析度從1Hz提高到MHz以上;脈衝串的工作模式和時間間隔如圖3所示。此外，雷射脈衝還可以同時發出，以提高雷射脈衝能量進而改善系統的測量能力和數據精度。經過約40米的傳輸，四束雷射在散射測量區域接近重合，光束中心線最大間距小於1mm，重合度超過90%，可以近似認為不同雷射脈衝所對應的散射區相同，便於高頻雷射脈衝所得診斷數據的對比分析。四臺雷射器參數如下，輸出能量和波長:最大6J@1064nm;出口光斑直徑:22mm;發散角(全形):.5mrad ；指向穩定性:^60urad ；脈衝頻率:1Hz，據此參數分析和設計合束系統。雷射器布局如圖1所示;考慮到反射鏡面型(材料不能太薄)和合束參數(小的光束間距)的要求，特設計加工四面特殊形狀的高反鏡。在雷射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。經過透鏡聚焦後，在光束束腰附近，收集透鏡可測區域約0.85米長，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，四束雷射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，滿足診斷系統對雷射光源的要求。
【主權項】
1.一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，其特徵在於:包括有多臺雷射器光源，所述的多臺雷射器光源出光口方向一致且均在同一水平高度上，每臺雷射器光源發出的雷射均為短脈衝雷射，且多臺雷射器光源發出的雷射偏振態及偏振方向相同，位於每臺雷射器光源的輸出光路中心線上分別設有可調的反射鏡，所述的多個反射鏡均在同一水平高度上，每個反射鏡的反射面分別朝向各自對應的雷射器光源且多個反射鏡的反射面方向相同，多個反射鏡位置依次錯開，使反射光路方向相同且彼此獨立互不影響，多臺雷射器光源發出的雷射經各自對應的反射鏡反射後，呈相互平行的反射光束，位於反射光束的光路上依次設置有長焦距的聚焦透鏡、光學吸收裝置，各束反射光束通過聚焦透鏡合束為一束光束後入射至光學吸收裝置。2.根據權利要求1所述的一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，其特徵在於:所述的每個反射鏡均為高損傷閾值、高反射率鍍膜鏡片，將每個反射鏡遠離對應的雷射器光源出光口的稜角切除。3.根據權利要求1所述的一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，其特徵在於:多臺雷射器光源可以同時刻或者相繼發出短脈衝雷射，每個雷射脈衝的波長和偏振態均相同。4.根據權利要求1所述的一種用於湯姆遜散射診斷的高頻脈衝雷射合束裝置，其特徵在於:所有雷射器光源、反射鏡置於同一大型隔振光學平臺上。
【文檔編號】G02B27/14GK205720907SQ201620574453
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】韓效鋒, 臧慶, 胡愛蘭, 肖樹妹, 李達
【申請人】中國科學院等離子體物理研究所