一种半共聚焦透镜、双光子激光诱导荧光系统及应用技术方案

本发明专利技术公开了一种半共聚焦透镜、双光子激光诱导荧光系统及应用，所述半共聚焦透镜包括内透镜和外透镜；其中，内透镜嵌于外透镜的中间；所述内透镜的镜面直径为10

【技术实现步骤摘要】
一种半共聚焦透镜、双光子激光诱导荧光系统及应用


[0001]本专利技术属于激光诱导荧光领域，尤其涉及一种用于高温等离子体环境中荧光探测的半共聚焦透镜、双光子激光诱导荧光系统及应用。

技术介绍

[0002]边界中性粒子在托卡马克中起着至关重要的作用。它可以直接影响托卡马克运行及等离子体约束：中性粒子对L
‑
H模式转换和台基区形成有重要作用；影响最外封闭磁面附近的离子流和离子流剪切；作为粒子源进入台基区甚至等离子体芯部区域；是等离子体动量输运和电荷交换摩擦效应的参与者；还可以通过中性粒子研究为壁材料再循环和偏滤器脱靶等物理过程提供重要参数。但与其重要作用相对的，目前仍没有有效的中性粒子诊断手段。快速电离规是目前运用于高温氢等离子体中性粒子密度和温度测量的一种方法，但它易受中性粒子密度剖面扰动的影响，难以得到准确的局域中性粒子温度及密度信息。
[0003]双光子激光诱导荧光(TALIF)利用双光子激发基态氢原子，再通过对其荧光测量实现氢原子参数的诊断。从原理而言，TALIF可以测量中性氢原子的密度、温度、定向速度及其所在位置的磁场信息，目前该诊断系统已经被广泛运用于线性装置中的中性粒子密度和定向速度测量。
[0004]马普所的Krychowiak等研究人员利用激光诱导荧光系统测量TEXTOR托卡马克氦气喷出口处的密度的装置设计图。他们利用实验结果与模拟结果进行对比，通过计算得到氦气喷出口处氦原子密度。西弗吉尼亚大学的Elliott在球马克HIT
‑
SI3上利用双光子激光诱导荧光系统成功测量到的氘原子密度和温度。但目前在高温托卡马克中仍没有测量氘原子的相关实验。其主要原因是高温托卡马克中，在边界区域高温等离子体冷却，通过与电子复合等效应产生荧光，其中包含了TALIF系统测量的荧光波段，且光强很强，难以将荧光信号从背景光中分离。
[0005]通常在激光诱导荧光测量中，采用从一侧聚焦激光激发基态粒子，从另一侧收集荧光信号以达到最优信噪比，避免激光对荧光信号的干扰。但用于高温等离子体如托卡马克装置中时，这样的设置存在许多问题。其一，从两侧观察意味着需要占用两个窗口，而托卡马克观察窗十分有限。其二，由于自由度较多，光路调节较为困难，找聚焦点需要一个过程。其三，从垂直方向窗口入射的激光路径较长，有可能在入射过程中被等离子体散射而损失能量。而普通的共聚焦透镜因需要满足聚焦点在同一位置，难以做到焦距较短的情况下镜面尺寸较大。

技术实现思路

[0006]针对现有技术不足，本专利技术提供了一种用于高温等离子体环境中荧光探测的半共聚焦透镜、双光子激光诱导荧光系统及应用。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]根据本专利技术实施例的第一方面，提供了一种半共聚焦透镜，所述半共聚焦透镜包
括内透镜和外透镜；其中，内透镜嵌于外透镜的中间；所述内透镜的镜面直径为10
‑
20mm，焦距为250
‑
350mm；所述外透镜的镜面直径为80
‑
120mm，焦距为310
‑
450mm。
[0009]进一步地，所述内透镜采用氟化镁作为透镜材料；所述外透镜采用H
‑
K9L玻璃作为透镜材料。
[0010]根据本专利技术实施例的第二方面，提供了一种双光子激光诱导荧光系统，包括上述的半共聚焦透镜。
[0011]进一步地，所述双光子激光诱导荧光系统包括激光器，激光器出射激光经激光反射镜反射后，在半共聚焦透镜的内透镜的焦点处聚焦，在聚焦处的原子吸收两个光子后，跃迁到更高的能级，之后退激发并发射光子，产生荧光，产生的荧光被半共聚焦透镜的外透镜接收，经过外透镜的荧光发散角在0.15度
‑
30度之间，通过放置在距共聚焦透镜200
‑
3500mm远处的，长、宽、厚度分别在150
‑
300mm、100
‑
200mm、10
‑
30mm的荧光反射镜反射后，经放置在距共聚焦透镜500
‑
4000mm远处的，直径为120
‑
300mm，焦距为300
‑
700mm的聚焦透镜聚焦荧光并由光电倍增管接收。
[0012]根据本专利技术实施例的第三方面，提供了一种双光子激光诱导荧光系统在强背景下双光子吸收激光诱导荧光氢原子中性气体密度测量中的应用。
[0013]进一步地，所述应用包括以下步骤：
[0014]步骤S1，测量不同波长激光的单脉冲激光能量；
[0015]步骤S2，利用高斯曲线拟合，找到激光激发中心波长；
[0016]步骤S3，测量不同气压下氪原子的双光子激光诱导荧光信号强度，通过理想气体状态方程，计算氪原子密度，建立氪原子密度与激光诱导荧光信号强度的关系，以此计算氢原子密度。
[0017]进一步地，所述步骤S3包括：
[0018]氪原子的双光子激光诱导荧光信号强度关系的表达式如下：
[0019]I
TALIF,Kr
＝1.558
×
10
‑
23
n
Kr
ꢀꢀ
(1)
[0020]其中，I
TALIF,Kr
表示氪原子的双光子激光诱导荧光信号强度，n
Kr
表示氪原子密度。
[0021]计算氢原子密度，表达式如下：
[0022][0023][0024]其中，n
H
氢原子表示密度，I
TALIF
表示荧光强度，I0表示激光强度，A
32
是爱因斯坦跃迁系数，τ是激发态寿命，σ
(2)
表示双光子激发散射截面，λ表示激光波长，γ表示荧光系统效率之比。
[0025]进一步地，所述应用还包括：
[0026]得到氢原子密度与双光子激光诱导荧光信号的关系为：
[0027]n
H
＝8.7332
×
10
20
I
TsALIF,H
ꢀꢀ
(4)。
[0028]根据本专利技术实施例的第四方面，提供了一种双光子激光诱导荧光系统在生物组份成分测量、化学产物成分测量、杂质检测、材料检测或推进器羽流研究中的应用。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种用于高温等离子体环境中荧光探测的半共聚焦透镜，该半共聚焦透镜为一短焦距、大镜面直径的半共聚焦透镜，在节约窗口，减少光路调节自由度的同时，以获得较大的立体角，增强荧光信号以尽可能多的收集荧光。该半共聚焦透镜从同一方向入射激光，接收荧光，既减少了光路的自由度，方便调节；又减少了对托卡马克窗口的占用数量，有利于装置安装和预留窗口。相比于现有的共聚焦透镜，半共聚焦透镜不要求外透镜焦点与内透镜焦点重合，因此对外透镜材料的要求更低，成本更低，且更容易获得较高的光强透过率。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半共聚焦透镜，其特征在于，所述半共聚焦透镜包括内透镜(1)和外透镜(2)；其中，内透镜(1)嵌于外透镜(2)的中间；所述内透镜(1)的镜面直径为10
‑
20mm，焦距为250
‑
350mm；所述外透镜(2)的镜面直径为80
‑
120mm，焦距为310
‑
450mm。2.根据权利要求1所述的半共聚焦透镜，其特征在于，所述内透镜(1)采用氟化镁或其他能够对190
‑
250nm范围光透过率超过75％的石英玻璃作为透镜材料；所述外透镜(2)采用H
‑
K9L玻璃或其他能够对400
‑
760nm范围光透过率超过90％的玻璃作为透镜材料。3.一种双光子激光诱导荧光系统，其特征在于，包括权利要求1或2所述的半共聚焦透镜。4.根据权利要求3所述的双光子激光诱导荧光系统，其特征在于，包括激光器(5)，激光器(5)出射激光经激光反射镜(6)反射后，在半共聚焦透镜(9)的内透镜(1)的焦点处聚焦，在聚焦处的原子吸收两个光子后，跃迁到更高的能级，之后退激发并发射光子，产生荧光，产生的荧光被半共聚焦透镜的外透镜(2)接收，并通过荧光反射镜(7)反射后，经聚焦透镜(10)聚焦荧光并由光电倍增管(11)接收。5.一种双光子激光诱导荧光系统在强背景下双光子吸收激光诱导荧光氢原子中性气体密度测量中的应用。6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述应用包括以下步骤：步骤S1，测量不同波长激光的单脉冲激光能量；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王驰宇，肖维文，肖国梁，殷娇，陈程远，马嘉彤，钟雯洁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：