(57)【要約】【課題】トカマク装置の電子密度を測るため偏光角回転が測定できるようにして、トカマク装置の電子密度を高い信頼性でもって安定に測定する。【解決手段】１つの波長の光を発生する光源が、トカマク装置の外部に配置される。該光源は、１つの波長の光をトカマク装置内のプラズマに入射する。該波長は、プラズマによるファラデー回転角であってその測定偏光角分解能より大きいファラデー回転角を呈する波長の長さを有する。プラズマから出射された１つの波長の光の偏光を検出して、ファラデー回転角を偏光検出・測定手段により測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの波長の光を発生する光源であって、トカマク装置の外部に配置され、前記１つの波長の光を前記トカマク装置内のプラズマに入射し、前記波長は、前記プラズマによるファラデー回転角であってその測定偏光角分解能より大きいファラデー回転角を呈する波長の長さを有する、前記光源と、
前記プラズマから出射された前記１つの波長の光の偏光を検出して、前記ファラデー回転角を測定する偏光検出・測定手段と
を備える、トカマク装置の電子密度測定用偏光計。
【請求項２】
前記プラズマ以外の不要物であってファラデー回転を生じさせる不要物が存在し、
前記１つの波長の光は、前記プラズマ及び不要物を伝搬して出射され、
前記１つの波長はまた、前記不要物によるファラデー回転角であってその測定偏光角分解能より大きいファラデー回転角を呈する波長の長さを有し、
前記偏光検出・測定手段は、前記プラズマ及び不要物を伝搬して出射された前記１つの波長の光の偏光を検出して、前記プラズマ及び不要物によるファラデー回転角を測定し、
前記１つの波長とは異なる１つの波長の光を発生する別の光源を更に備え、
前記別の光源は、前記トカマク装置の外部に配置され、前記異なる１つの波長の光を前記プラズマ及び不要物に入射して、伝搬させ、
前記異なる１つの波長は、前記プラズマ及び不要物のそれぞれによるファラデー回転角であってそれらの測定偏光角分解能より大きいファラデー回転角を呈する波長の長さを有し、
前記プラズマ及び不要物を伝搬して出射された前記異なる１つの波長の光の偏光を検出して、前記プラズマ及び不要物によるファラデー回転角を測定する別の偏光検出・測定手段と、
両方の前記偏光検出・測定手段により測定された２つのファラデー回転角を用いて、前記プラズマによるファラデー回転角を算出する演算手段と、を更に備える請求項１記載のトカマク装置の電子密度測定用偏光計。
【請求項３】
前記の光源がレーザー光である請求項１又は２記載のトカマク装置の電子密度測定用偏光計。
【請求項４】
前記レーザー光がＣＯ２レーザー光である請求項３記載のトカマク装置の電子密度測定用偏光計。
【請求項５】
前記１つの波長の光を分割した一部である参照光と、前記１つの波長の光を分割した残りの光であって前記プラズマ又は前記プラズマ及び不要物を通過した測定光との間の干渉を偏光と同時に計るため干渉検出手段を更に備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のトカマク装置の電子密度測定用偏光計。
【請求項６】
前記１つの波長の光を分割して、前記参照光及び測定光を生成し、前記参照光を遅延させる遅延光学部に入射させ、且つ前記測定光を前記プラズマに入射させる光分割手段と、
前記測定光を２つに分割して、分割された一方の測定光を、前記ファラデー回転角を測定する偏光検出・測定手段に入射させ、且つ分割された他方の測定光を前記干渉検出手段に入射させる測定光分割手段と、
前記遅延光学部を通過した前記参照光を前記干渉検出手段に入射させる手段と
を更に備える請求項５記載のトカマク装置の電子密度測定用偏光計。
【請求項７】
前記偏光検出手段が光弾性変調手段を備える請求項１から６のいずれか一項に記載のトカマク装置の電子密度測定用偏光計。
【請求項８】
前記光弾性変調手段を１対設ける請求項７記載のトカマク装置の電子密度測定用偏光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光計に関し、詳細には被測定対象以外の物によるファラデー回転が測定の際含まれる場合に被測定対象のファラデー回転を測定することができる偏光計及びトカマク装置の電子密度測定に適した偏光計に関する。
【背景技術】
【０００２】
トカマク装置の運転では、電子密度を常時信頼性高く測定することが必要不可欠である。この目的で、一般に干渉法による密度測定が多数のトカマク装置で行われてきている。大型トカマクの電子密度測定用レーザー干渉計は、その測定原理から来る弱点、即ち、干渉条件がある理由で壊れたとき「フリンジ跳び」と呼ばれる現象を有する。一旦「フリンジ跳び」が生じると、密度信号の信頼性はその後低減されることになる。トカマクの運転では、プラズマの電子密度をフィードバック制御し所定の値に維持することが通常行われる。このとき、多くの場合レーザー干渉計やマイクロ波干渉計がフィードバックの参照信号を生成する電子密度モニタとして用いられている。一般に干渉計ではプラズマ生成時よりの時間発展を追うため、途中、何らかの理由でフリンジ跳びが発生したり、ノイズが混入したりした場合、それ以降のデータの信頼性が低下してしまう。電子密度の信頼性のあるフィードバック制御は正確な密度信号を必要とするので、一層安定なシステムが開発されるべきである。
【０００３】
干渉計においては、問題とする時制までの位相シフト信号の時間履歴がその時制に関するデータを得るため通常必要とされる。これと対照的に、偏光計においていずれのサンプリング時間に測定されたファラデー回転角は、個々にデータ、即ち電子密度とレーザー・ビームに平行な磁界との積を提供することができる。垂直コードに沿ったＣＯ２レーザー偏光測定を指向した２、３の研究があるにも拘わらず、予備的なデータのみしか得られなかった。更に、現在のトカマクにおける実際の接線コード偏光測定に関する研究はなかった。従って、トロイダル接線ファラデー回転の有効性を実地で立証することが、国際熱核融合実験炉（ＩＴＥＲ）についての密度測定を確立するために必要とされていた。なお、参考として図７にトカマク装置の一つであるＪＴ−６０Ｕの接線コードを示す。
【０００４】
トカマク装置におけるレーザー光を光源とする偏光測定の方法としては、従来、ヘテロダイン光干渉検出で偏光角の直交成分強度を計測するもの、レーザー光として右回りと左回りの円偏光レーザーを用いるもの、レーザー光の偏光角を電気光学変調器で変調するもの、などがある。しかし、大型トカマクで想定されるようなレーザー光軸の変位による入射レーザー光強度変化や光学部品の劣化によるレーザー光品質の低下などが大きい条件下では、上記の方法では、信頼性の高い計測は困難であると考えられ、また干渉計測との両立が難しくなることが考えられる。
【０００５】
また、実際のトカマク装置では、レーザー光のファラデー回転はプラズマによるものの他に真空窓、即ち真空封じきり窓によるものが加算されると考えられ、しかも真空窓によるファラデー回転は計測上無視できないほどの大きさを有する場合がある。この場合、従来の偏光計ではプラズマによるもののみのファラデー回転を測定できないことになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、トカマク装置の電子密度測定用偏光計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明によるトカマク装置の電子密度測定用偏光計は、１つの波長の光を発生する光源であって、トカマク装置の外部に配置され、前記１つの波長の光を前記トカマク装置内のプラズマに入射し、前記波長は、前記プラズマによるファラデー回転角であってその測定偏光角分解能より大きいファラデー回転角を呈する波長の長さを有する、前記光源と、前記プラズマから出射された前記１つの波長の光の偏光を検出して、前記ファラデー回転角を測定する偏光検出・測定手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、上記の構成を有することにより、トカマク装置の電子密度を測るため偏光角回転が測定できるようになり、そしてトカマク装置の電子密度を高い信頼性でもって安定に測定することができる。
【０００９】
本発明のトカマク装置の電子密度測定用偏光計の１つの好適態様においては、光源の波長として２つの異なる波長を用いることにより、被測定対象物以外の偏光させる物がある場合にも被測定対象物により生じる偏光を測定できる。
【００１０】
更に、本発明のトカマク装置の電子密度測定用偏光計の別の好適態様においては、偏光検出のため光弾性変調手段を用いることにより、次のとおりの効果を奏する。
（１）偏光計測において光干渉プロセスが無いので、光干渉に要求される高いレーザー光品質が不要となる。
【００１１】
（２）レーザー光の変調が不要なので、構成が簡単になり、干渉計との両立を容易に達成できる。
（３）光弾性変調器を１対にした場合には、更に１つの光検出器で偏光角の２つの直交成分を検出し、その信号比により偏光角を測定することができ、これにより入射レーザー光強度及び伝搬軸の変動の影響を受けないようにすることができる。即ち、レーザー出力の揺らぎやミラーの機械的振動変位などによるレーザー受光強度変動及び伝搬軸の変動に影響されず安定した回転角検出ができる。
【００１２】
（４）トカマク装置に使用した場合、トロイダル接線方向に伝搬するレーザー光のプラズマによるファラデー回転角を偏光計測することによりプラズマ電子密度を測定できる。特に、ＩＴＥＲにおいては、炭酸ガスレーザー光を光源とした偏光計は、電子密度モニタとして一般的な干渉計より安定な計測が可能である。
【００１３】
（５）本発明の偏光計は干渉法によるものと比べて、外来ノイズに影響されにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
初めに、本発明の２波長偏光計（２色光偏光計ともいう。）についてトカマク装置におけるプラズマによる偏光を測定する事例で説明する。
プラズマにおいて直線偏光レーザー・ビームのファラディー回転角αｐはほぼ次のとおり表される。
【００１５】
【数１】
2006078494.tif 000003
【００１６】
ここで、ｅは電子の電荷、ｍｅは電子の質量、ε０は真空の誘電率、ｃは真空における光の速度、ｋはレーザー・ビームの波数（２π／λ）、λはレーザーの波長、ｎｅは電子密度、Ｂ‖（以下この記号はＢに‖を下付きとした記号を表すものとする。）はビーム伝搬方向に対して平行な磁界強度をそれぞれ表し、積分はレーザー・ビームの伝搬経路に沿って実行される。
【００１７】
通常、測定された回転角は、プラズマによるばかりでなく真空窓によるファラデー回転を含む。
【００１８】
【数２】
2006078494.tif 000004
【００１９】
ここで、Ｖは窓材料のベルデ定数、Ｂ‖ｗは窓でのビーム伝搬に対して平行な磁界強度、ｄｗは窓の実効的厚さをそれぞれ表す。αｗが重大なオフセット成分として無視し得ない場合、αｗは測定された回転角から排除されねばならない。この目的のため、異なる波長レーザーを有する２つの偏光計により測定し、以下のように書ける回転角α１及びα２のため２波長レーザー偏光計を案出した。
【００２０】
【数３】
2006078494.tif 000005
【００２１】
ここで、下付き文字１及び２は異なる波長を示す。式（３）における積分は容易に以下のように得られる。
【００２２】
【数４】
2006078494.tif 000006
【００２３】
ここで、ＲＶはベルデ定数の比ＲＶ＝Ｖ１／Ｖ２である。こうして、真空窓でのファラデー回転成分は２波長偏光計の構成を用いて排除される。ベルデ定数の波長依存性、即ちＶ２≒（ｋ２／ｋ１）２Ｖ１が使用のため有効であるとき、式（４）は次のように書き得る。
【００２４】
【数５】
2006078494.tif 000007
【００２５】
上記の２波長構成における実効的な分解能は、信号対雑音比Ｓ／Ｎを考慮することにより評価される。式（５）から、Ｓ／Ｎは、以下のように最後の括弧の精度により決定される。
【００２６】
【数６】
2006078494.tif 000008
【００２７】
ここで、ｒαは各偏光計の回転角の元の分解能であり、ｘは波長の比ｋ２／ｋ１であり、ｒαｅｆｆは２波長偏光計における回転角の実効的な分解能である。従って、実効的な分解能は元の分解能より（１−１／ｘ２）のファクタだけ小さくなる。
【００２８】
以上説明したように、異なる２つの波長レーザーを用いることにより、トカマク装置における真空窓により生じる偏光は測定結果から排除され、プラズマによる偏光のみが測定できる。本発明は、上記の説明から明らかなように、用いる光源はレーザーに限定されず、いずれの種類の光源でも良い。また、被測定対象物及びそれ以外の偏光させる物もそれぞれプラズマや真空窓に限定されず、偏光を生じさせる物であれば良いことは明らかである。
【００２９】
次に、本発明によるトカマク装置の電子密度測定用偏光計の好適な実施形態を説明する。
本発明の２波長偏光計に関する上記に示された結果に従って、２波長レーザー偏光計をＪＴ−６０Ｕ及びＩＴＥＲに対して検討した。表１は、真空窓の数個のパラメータを含むＪＴ−６０Ｕ及びＩＴＥＲの典型的なパラメータを示す。
【００３０】
【表１】
2006078494.tif 000009
【００３１】
表１の見方は次のとおりである。Ｒ０は真空容器の中心の主半径であり、αｐはプラズマの副半径である。ｎｅは電子密度であり、Ｂｔ０はＲ０でのトロイダル磁界である。Ｒｗは真空窓の位置の主半径であり、Ｂ‖ｗはＲｗでのレーザー・ビームに平行のトロイダル磁界であり、ｄｗはレーザー・ビームがそこを通るのを経験する真空窓の厚さである。ＪＴ−６０Ｕの場合、典型的なプラズマ・パラメータと、現在の２波長ＣＯ２レーザー干渉計の幾何学的形状とが選択される。ＩＴＥＲにとって、Ｒ０に対する接線を有するトロイダル接線コードが考慮される。Ｒｗ及びｄｗは、ＪＴ−６０Ｕにとって適切な半径及び及び同じ厚さであるようそれぞれ選択される。
【００３２】
ここで、真空窓の法線が接線ビーム経路に殆ど平行であるように真空窓が向けられている場合を議論する。この場合、トロイダル磁界が、水平磁界よりむしろ真空窓でのファラデー回転に対して検討されるべきである。トロイダル磁界成分が無視し得るにも拘わらず真空窓がそれらの法線が半径方向であるように向けられる場合は議論されない。それは、接線コードを実現するため折り返しミラーが真空容器の内部に設置されねばならないからである。実際の装置においては、トカマク運転によりこれらのミラーの損傷は重大であり得る。偏光計の波長の組み合わせの考慮のため、表２は、可視から遠赤外までの範囲にある波長の幾つかのレーザーに対して評価されたファラデー回転角を示す。
【００３３】
【表２】
2006078494.tif 000010
【００３４】
表２において、λはレーザー光の波長であり、αｐはプラズマ内でのレーザー伝搬の往復経路に対するプラズマによるファラデー回転角であり、αｗは真空窓の材料によるファラデー回転角である。αｐの評価に対して、プラズマの空間一様な密度分布が仮定されている。αｗの評価に対して、硫化鉛（ＺｎＳ）が真空窓の材料であると仮定されている。ここで、ＺｎＳのベルデ定数はλ−２に比例することが仮定されている。
【００３５】
ＪＴ−６０Ｕにおける２波長ＣＯ２レーザー干渉計の経験に基づいて、ＣＯ２レーザーの１０．６及び９．２７μｍの２つの異なる波長が考慮される。表２を用いて、ＹＡＧ緑色レーザー及びＹＡＧ−近赤外レーザーが除外される。それは、プラズマ内でのそれらのファラデー回転角が実質的に小さく、一方真空窓でのそれらのファラデー回転角は大き過ぎて容易に測定することができないからである。ＣＨ３ＯＨレーザーも、プラズマ内のそのファラデー回転が測定するには大き過ぎるので除外される。ＣＯレーザーは使用の可能性があるが、しかしＣＯガスを取り扱う危険は好ましくない。プラズマ内及び真空窓内の双方における中庸の回転角が、１０．６及び９．２７μｍの２つの異なるＣＯ２波長に対して示されている。従って、それらは、偏光計にとって最も好ましい組み合わせを提供する。当然に、この偏光計は２波長ＣＯ２レーザー偏光計と呼ばれるべきであるが当該偏光計は２波長ＣＯ２レーザー干渉計と互換性がある。２波長ＣＯ２偏光計の〜１００のＳ／ＮがＩＴＥＲにとって必要とされるとき、式（５）を用いることにより、ｒαｅｆｆが０．４２°より良くあるべきであり、又はｒαは０．１°より良くあるべきである。
【００３６】
大型トカマク用の偏光測定は検出器での測定用レーザー・ビームにおけるいずれの変化に対しても感応すべきでない。しかしながら、大型の装置においては、検出器での測定用レーザー・ビームの強度は、幾つかの理由のため、例えば、プラズマ内のレーザー・ビームの屈折、ミラー取り付け構造体の変位及び振動、レーザー・ガイド光学系の伝送低減、発振器の出力パワーの揺らぎ等のため変化する場合がある。ミラー取り付け構造体の変位及び振動はまた測定用レーザーの伝搬ビーム軸のシフトを生じる。これらの問題を考慮し、且つフリンジ跳びのようなエラーを避けるため、干渉信号の偏光面の２つの直交成分を測定する通常の偏光計は適切でない。電気光学変調器を用いる偏光変調技術はまたこの状況においては不利であるように見える。上記技術により得られる回転角は測定用レーザー・ビームの強度に直接関係するので、データの正確さは、レーザー・ビームの強度が著しく変化するとき低減される。従って、本発明者は、大型トカマクについての安定な偏光測定のため１対の光弾性変調器（ＰＥＭ）を用いる偏光検出を案出した。図１は、本発明の好適な１実施形態によるＰＥＭを用いるＣＯ２レーザー偏光計の概略図を示す。偏光計は、２つの光弾性変調器（ＰＥＭ１及びＰＥＭ２）１０及び１２、偏光子１４、及びＨｇＣｄＴｅ検出器１６を備える。なお、偏光計としては、光源、この場合はＣＯ２レーザーを有するが、図１には図示していない。各ＰＥＭ  １０及び１２はｆ１（３７ｋＨｚ）及びｆ２（５０ｋＨｚ）の異なる駆動周波数により駆動され、双方のＰＥＭ  １０及び１２は入射ＣＯ２レーザー・ビームの偏光面に対して４５°と０°との異なる偏光配位角に整列されている。このように、駆動周波数の異なる２つの光弾性変調器を光軸の回りに４５度回転して組み合わせ、１つの検出器で偏光角の２つの直交成分を計測できることが本実施形態の特徴の１つである。検出された信号は、ＰＥＭ１及びＰＥＭ２の駆動周波数に対して２倍にされた周波数、即ち２ｆ１（７４ｋＨｚ）及び２ｆ２（１００ｋＨｚ）に対応する異なるロックイン周波数により２つのロックイン増幅器１８及び１９により分析される。
【００３７】
入射ＣＯ２レーザー・ビームの偏光面の回転角は、単純に以下のとおり決定される。
【００３８】
【数７】
2006078494.tif 000011
【００３９】
ここで、αは入射レーザーの偏光面の回転角であり、Ｖｏｕｔ１及びＶｏｕｔ２は２つのロックイン増幅器の出力電圧である。偏光計のこの構成は、光の検出可能な波長を除いて、トカマクにおけるプラズマ電流分布測定のためのモーショナルシュタルク効果偏光計に使用されるものと大部分同じである。即ち、この方式は可視領域ではモーショナルシュタルク効果測定などに実績があるが、炭酸ガスレーザーの赤外波長領域（〜１０μｍ）における性能については新たに評価する必要がある。そこで、偏光角検出部の較正試験を行ったところ、ＩＴＥＲで想定されるファラデー回転角〜４０度程度までの範囲では、適当な近似関数を用いることにより０．１度以内の偏光角分解能が得られることが分かった。図１に示す構成により、十分な精度でファラデー回転角測定を行えることが期待できる。単一の検出器がレーザー・ビームの偏光角の２つの直交成分を提供するので、偏光計は、ＰＥＭ１の変調周波数内で測定用レーザー・ビームの伝搬軸及び強度の変化に基本的に感応しない。１対の偏光計は、２波長ＣＯ２レーザー偏光計に用いられる。
【００４０】
従って、本発明の偏光計は、光弾性変調器を採用することにより、次のとおりの効果を生じる。即ち、
（１）偏光計測において光干渉プロセスが無いので、光干渉に要求される高いレーザー光品質が不要となる。
【００４１】
（２）レーザー光の変調が不要なので、構成が簡単になり、また後述するように、干渉計との両立を容易に達成できる。
（３）光弾性変調器を１対にした場合には、更に１つの光検出器で偏光角の２つの直交成分を検出し、その信号比により偏光角を測定することができ、これにより入射レーザー光強度及び伝搬軸の変動の影響を受けないようにすることができる。即ち、レーザー出力の揺らぎやミラーの機械的振動変位などによるレーザー受光強度変動及び伝搬軸の変動に影響されない安定した回転角を検出できる。
【００４２】
（４）トカマク装置に使用した場合、トロイダル接線方向に伝搬するレーザー光のプラズマによるファラデー回転角を偏光計測することによりプラズマ電子密度を測定できる。特に、ＩＴＥＲにおいては、炭酸ガスレーザー光を光源とした偏光計は、電子密度モニタとして一般的な干渉計より安定な計測が可能である。
【００４３】
（５）本発明の偏光計は干渉法によるものと比べて、外来ノイズに影響されにくい。
次に、本発明のトカマク装置の電子密度測定用偏光計が干渉計との共用に適したものであることを説明する。
【００４４】
従来の技術によれば、前述のように、偏光と干渉を同時に測定する方法としては次の３つが大きく考えられる。１つは、偏光角が互いに直交している２つの干渉計を用い、干渉を計ると共に、干渉させて偏光をも計るものである。２つめは、直線偏波を右回りと左回りの円偏波変調して干渉させて干渉と同時に偏光を計るものである。３つめは、直線偏波の偏光角を時間と共に変えて干渉させ、干渉と同時に偏光を計るものである。これらの方法においては、干渉させること、又は円偏波変調、あるいは偏光角を時間と共に変えることが大変で、偏光と干渉を同時に測定することは容易ではなかった。
【００４５】
本発明のトカマク装置の電子密度測定用偏光計を用いて、２つの波を干渉させること、円偏波変調させること、偏光角を時間と共に変えることのいずれもしないで干渉と偏光とを同時に測定することができるようにした本発明の好適な一実施形態を図２に示す。なお、干渉測定系は既知のものである。図２において、参照番号２０及び２２は、光源である炭酸ガスレーザーであり、２つの炭酸ガスレーザーは異なる波長、９．２７μｍと１０．６μｍとを有する。炭酸ガスレーザー２０は干渉と偏光の両方の測定用光源として用いられ、炭酸ガスレーザー２２は干渉測定用の光源として用いられている。参照番号２４は偏光検出部を示し、該偏光検出部２４は、２つの光弾性変調器（ＰＥＭ１及びＰＥＭ２）５０及び５２、偏光子（Ｐ）５４、フィルタ５６及び検出ユニット５８を含む。光弾性変調器５０及び５２は、図１に示す実施形態における光弾性変調器１０及び１２のそれぞれと同じである。検出ユニット５８は、図１に示す実施形態におけるＨｇＣｄＴｅ検出器１６及び２つのロックイン増幅器１８及び２０と同じ構成要素を含む。フィルタ５６は、９．２７μｍのレーザー・ビームを透過し、１０．６μｍのレーザー・ビームを遮断する。参照番号２６は干渉検出部であり、該干渉検出部２６は、２つの検出器６０及び６２、２つのフィルタ６４及び６６、複数の全反射ミラーＴＭ、９．２７μｍのみ用の反射器として作用する複数のダイクロイック・ミラーＤＭ、及び複数の半反射ミラーＨＭを有する。フィルタ６４は１０．６μｍのレーザー・ビームを透過し、９．２７μｍを遮断し、一方フィルタ６６はその逆である。炭酸ガスレーザー２０及び２２と偏光検出部２４及び干渉検出部２６との間に設けられた構成要素はそれぞれ次のとおりである。参照符号ＢＥ１〜ＢＥ３で示される構成要素は遅延光学部に伝搬されるようにレーザー・ビーム・パラメータを変更するためのビーム・エクスパンダーであり、参照符号ＡＯＭ１〜ＡＯＭ２は、ヘテロダイン検出のための周波数シフターとして用いられる音響−光学変調器であり、参照符号ＴＭは全反射ミラーであり、参照符号ＨＭは半反射ミラーであり、参照符号ＭＤは９．２７μｍのみ用の反射器として作用する複数のダイクロイック・ミラーであり、参照符号Ｌはレンズである。そして、レンズＬの後に設けられたビーム・スプリッタ（ＢＳ）２８は、偏光と干渉とを同時に測定するために特に設けられたものであり、図２に示す本発明の実施形態を特徴付けるものの１つである。該ビーム・スプリッタ２８の透過と反射の割合は２：８にされている。参照符号Ｖｉｓ−ＨｅＮｅは可視ＨｅＮｅレーザーであり、該可視ＨｅＮｅレーザーは光学部品を整列させるため用いられるが、偏光及び干渉を測定するのに直接用いるものではない。
【００４６】
炭酸ガスレーザー２０及び２２からそれぞれの波長で放射されたレーザー・ビームは、ビーム・エクスパンダーＢＥ１及びＢＥ２を介して複数の全反射ミラーＴＭ、半反射ミラーＨＭ及びダイクロイック・ミラーＤＭに入射され、これらミラーにより２つのレーザー・ビームに分けられ、それぞれ周波数シフターＡＯＭ１及びＡＯＭ２を介して遅延光学部及びプラズマを通過する測定光と参照光として用いられる。図２において、実線で示すレーザー・ビームの流れは測定光を、破線で示すレーザー・ビームの流れは参照光を示す。遅延光学部及びプラズマを通過した２つの波長のレーザー・ビームはレンズＬの後ろのビーム・スプリッタ（ＢＳ）２８でその約８０％が反射されて干渉検出部２６に入射され、一方２つの波長のレーザー・ビームである参照光はレンズＬの手前の全反射ミラーＴＭにより干渉検出部２６に入射される。干渉検出部２６に入射された測定光と参照光とはフィルタ６４及び６６により一方のみの波長のレーザー・ビームにされて、検出器６０及び６２に入射され、各検出器で各波長の測定光と参照光の干渉信号が検出され、その結果に基づいて干渉フリンジ量が求められる。なお、異なる２つの波長を用いて測定するのは、被測定系の測定中の位置の変動等による干渉への影響を排除するためであり、原理的には、例えばこのような変動がない又は無視できる場合には１つの波長、即ち１つの光源と１つの検出器でよい。
【００４７】
偏光測定においては、プラズマを通過した測定光のみを用いるので、レンズＬの手前の全反射ミラーＴＭにより参照光は全て干渉検出部２６に入射させ、測定光のみがレンズＬの後のビーム・スプリッタ２８で約２０％を通過させ、更にダイクロイック・ミラーＤＭにより測定光のうちの９．２７μｍの波長のレーザー・ビームが反射されて偏光検出部２４に入射される。偏光検出部２４においては、図１に示す実施形態と同様にして、偏光が測定される。上述の動作により、従来の方法における容易でない２つの波を干渉させること、円偏波変調すること、時間と共に偏光角を変えることのいずれをも用いることなく、偏光と干渉とを同時に容易に測定できる。
【００４８】
なお、図２に示す実施形態においては、偏光測定については１つの波長を用いる例を示したが、２つの波長を用いる場合は偏光検出部２４に更に例えば１０．６μｍ用について図示の９．２７μｍと同様のものを一系列設ければよいことは明らかである。
【００４９】
図２に示される測定系で測定されるべきトカマク装置のプラズマによるファラデー回転角を試算した結果を表３に示す。なお、プラズマについては空間一様な密度分布を仮定している。
【００５０】
【表３】
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【００５１】
偏光検出部２４単体で較正を行った結果を図３及び図４に示す。図３は、直線性を確認するためのもので、フィッティング関数１として次式が得られ、良好な直線性を示していることが分かる。
測定角＝０．９９×設定角＋０．５３（度）
図４は、精度の確認のためで、フィッティング関数２として次式が得られ、この適切なフィッティング関数により０．１度以下の精度を期待できる。
測定角＝０．９５×設定角＋６．７×１０−４×設定角２
＋９．２×１０−６×設定角３＋０．７４  （度）
図５は、図２に示される測定系で測定された接線ファラデー回転角（偏光角の変化）の測定結果を示す。この図から、偏光角の変化は同一視線の接線炭酸ガスレーザー干渉計の線密度波形と良く一致しており、従って電子密度を反映し、プラズマによるファラデー回転が正しく測定されていることが分かる。また、図から分解能はほぼ０．１度程度であると言え、目標値を達成している。
【００５２】
図６は、図２に示される測定系で測定された各種測定波形を示す。図の（ｅ）は、接線炭酸ガスレーザー光の偏光角検出に初めて成功したこと、また真空窓によると思われるファラデー回転を検出できることを示している。また、入射レーザー光強度が変動しても安定した測定が行えることを確認し、更に偏光を干渉と同時計測することができることを確認し、従って精度の高いプラズマの電子密度測定を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、本発明の好適な１実施形態による光弾性変調器ＰＥＭを用いるＣＯ２レーザー偏光計の概略図である。
【図２】図２は、干渉と偏光とを同時に測定することができるようにした本発明の好適な一実施形態を示す図である。
【図３】図３は、図２に示す偏光検出部２４単体で直線性を確認するため較正を行った結果を示す図である。
【図４】図４は、図２に示す偏光検出部２４単体で精度の確認のため較正を行った結果を示す図である。
【図５】図５は、図２に示される測定系で測定された接線ファラデー回転角（偏光角の変化）の測定結果を示す図である。
【図６】図６は、図２に示される測定系で測定された各種測定波形を示す図である。
【図７】図７は、トカマク装置の一つであるＪＴ−６０Ｕの接線コードを示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０、１２、５０、５２  光弾性変調器
１４、５４  偏光子
１６  ＨｇＣｄＴｅ検出器
１８、１９  ロックイン増幅器
２０、２２  炭酸ガスレーザー
２４  偏光検出部
２６  干渉検出部
２８  ビーム・スプリッタ
５６、６２、６４  フィルタ
５８  検出ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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