用远红外HCN激光干涉仪测量等离子体电子密度

    1　原理

    电子密度是等离子体物理研究中一个很重要的物理量,测量等离子体电子密度主要利用电磁波在等离子体中的传播特性和技术。由于远红外激光的波长范围正好适合用来测量等离子体电子密度,因此,这种激光的干涉仪已成为高温等离子体诊断技术的常规诊断装置。

    我们采用的“拍频法”对激光器输出的功率稳定性要求不是非常严格,因而被广泛应用。干涉仪用圆柱形转动光栅来进行频率调制,从而获得拍频信号,这种干涉仪被称作Veron型干涉仪[1,2]。

    实际上,测量等离子体电子密度是通过测量等离子体的折射率来实现的。当电磁波垂直于磁场方向传播时,电场方向平行于磁场方向,这时等离子体的折射率μ0为:

　　μ0=(1-ω²_p/ω²)^1/2          (1)

式中ω为电磁波角频率,ω_p为等离子体振荡频率。当

时,电磁波被等离子体反射。式中n_e为等离子体电子密度,m_e为电子质量,ε₀为真空介电常数,e为电子电荷。由此求出截止电子密度

    对于确定频率的电磁波ω,n_c为常数,μ₀为n_e的线性函数。

    探测等离子体电子密度的干涉原理如图1所示。探测光束和参考光束之间的相位差

    2　相位调制

    本干涉仪是采用转动光栅来进行相位调制的,产生拍频,原理如图2所示。图中S1、S2、S3为分光束片,对入射光50%透射、50%反射。S4、S5为合成片。

    激光束经S1后分成A、B两束光,A束射到转动光栅上,其反射光产生Dopple频移,频率由ω变为ω+Δω,再经过S2分成A1、A2两束光。光束B经S3分成B1、B2两束光,A1和B1两束光经合成片S4射到探测器D1上,其输出信号为参考信号:

比较(14)、(16)两式,可以求出Δt,从而求出φ。

    转动光栅局部放大侧视图如图3所示。在黄铜圆柱面上沿圆柱的轴向刻满条纹。条纹的宽度和深度远远小于圆柱的直径(150mm),所以圆柱的圆周可近似地看作直线。光束以闪耀角a入射,经转动光栅反射后,其Dopple频移为

式中f为激光频率,R为光栅半径,c为光速,N为光栅每秒转动的周数。由(17)式得

式中d为条纹宽度,G=2πR/d为光栅总条纹数。可见,调节光栅转速即可得到所需的频率Δf。实验中,取G=1440,Δf=10kHz。