[发明专利]一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置

摘要

本发明涉及核聚变与光学诊断技术领域，提供一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，包括：激光入射单元、干涉单元、相移单元、图像采集单元以及时序控制单元；所述激光入射单元包括第一激光器、第二激光器、透反镜、第一孔阑、空间滤波器和凸透镜；所述干涉单元包括依次设置的分束镜和反射镜；所述相移单元包括依次设置的压电陶瓷和压电陶瓷控制箱；所述图像采集单元包括工业相机；所述时序控制单元包括数据采集控制箱。本发明能够实现对托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的在线、无损、高精度、高灵敏度、三维及定量监测。

主权项

1.一种托卡马克壁材料侵蚀与再沉积的测量装置，其特征在于，包括：激光入射单元、干涉单元、相移单元、图像采集单元以及时序控制单元；所述激光入射单元包括第一激光器、第二激光器、透反镜、第一孔阑、空间滤波器和凸透镜；所述第一激光器的出射光路上依次设置所述透反镜、所述第一孔阑、所述空间滤波器和凸透镜；所述第二激光器设置在透反镜远离第一激光器的一侧；所述第一激光器和第二激光器出射光的夹角为90度；所述空间滤波器包括依次设置的显微物镜和针孔；所述干涉单元包括依次设置的分束镜和反射镜；所述分束镜设置在所述凸透镜远离空间滤波器的一侧；所述分束镜的一侧面与测试样品相对，且分束镜的延长线与测试样品在水平方向具有45度夹角；所述透反镜和分束镜分别与水平方向具有45度夹角；所述凸透镜和所述分束镜之间设置第二孔阑；所述分束镜和所述反射镜之间设置衰减片；所述相移单元包括依次设置的压电陶瓷和压电陶瓷控制箱，所述压电陶瓷和反射镜贴覆在一起，所述压电陶瓷和压电陶瓷控制箱电连接；所述图像采集单元包括工业相机，所述工业相机设置在分束镜远离测试样品的一侧；所述图像采集单元用于采集散斑干涉图，所述图像采集单元能够将采集到的散斑干涉图上传到外部的控制计算机，并通过计算机完成后期的图像处理工作；所述分束镜和所述工业相机之间设置第三孔阑；所述时序控制单元包括数据采集控制箱，所述数据采集控制箱分别与第一激光器、第二激光器、压电陶瓷控制箱和工业相机电连接；所述第一激光器和第二激光器分别为可调谐激光器；所述数据采集控制箱包括：多通道信号发生单元、时间延迟控制单元、数据采集单元、激光器控制单元和压电陶瓷触发单元；所述数据采集控制箱用于控制所述第一激光器、所述第二激光器、所述压电陶瓷、工业相机的触发及时序；所述数据采集控制箱与外部的控制计算机电连接；相移的提取采用四步相移法，压电陶瓷(12)分四次在参考光路上引入相位变化，依次引入的相位变化分别为0,π/2,π,3π/2，步长为π/2，具体包括以下步骤：(1)不引入相移，压电陶瓷(12)不产生位移，控制第一激光器(1)和工业相机同时触发采集散斑干涉图a1，工业相机的曝光时间由入射光强及背景光强决定，1ms后同时触发第二激光器(2)和工业相机采集散斑干涉图b1；通过数据采集控制箱(16)和计算机(17)控制压电陶瓷控制箱(13)，压电陶瓷控制箱(13)改变电压，使压电陶瓷(12)产生位移，在参考光束上引入π/2的相位变化，同时触发第一激光器1和工业相机采集散斑干涉图a2，1ms后触发第二激光器(2)和工业相机采集散斑干涉图b2；(2)改变电压使压电陶瓷(12)在参考光束上引入π的相位变化，然后同时触发第一激光器(1)和工业相机采集散斑干涉图a3，1ms后触发第二激光器(2)和工业相机采集散斑干涉图b3；进一步，改变电压使压电陶瓷(12)在参考光束上引入3π/2的相位变化，然后同时触发第一激光器(1)和工业相机采集图片a4，1ms后触发第二激光器(2)和工业相机采集散斑干涉图b4；其中，图片处理过程：对应波长λ1采集到的四幅散斑干涉图a1、a2、a3、a4，通过四步相移法计算出对应λ1的由激光烧蚀引起的相位变化的包裹值其中，I₁,I₂,I₃,I₄分别为a1、a2、a3、a4四幅四幅散斑干涉图的光强变化；同样计算出对应λ2的相位变化的包裹值对应等效波长Λ的相位变化的包裹值；所述等效波长Λ的公式为其中，λ₁、λ₂为任意两个不同波长；在用四步相移法解相位时做了反正切，导致所求的相位为包裹在[‑π/2,π/2]区间内的主值而产生间断，在间断点位置加减π使相位值连续而得到真实相位，即相位解包裹；再通过位移或形变与相位变化的关系得到物体形变或位移的信息，其中，Δz为物体在法线方向产生的位移量或形变量，为由于物体法线方向上的位移或形变引入的相位变化的真实值。