干渉計

レーザー干渉計（干渉計、interferometer）は、磁気閉じ込め核融合プラズマの電子密度を測る最も標準的な診断である。プラズマを透過したレーザー光の位相のずれ（位相シフト）から、ビーム経路に沿って積分された電子密度（線積分密度）を得る。この原理そのものは古く、確立された技術であるが、現代の核融合装置では高速な密度フィードバック制御、破壊抑制のための急激な密度変化の追跡、反応器級環境での長期無人運転といった要求に応えるため、位相検出方式や光学配置の改良が現在も活発に続けられている。以下では、測定原理から始めて、装置の主要な方式、多チャンネル化と密度分布の再構成、実用上の制約、そして偏光計測への拡張を述べる。

原理：位相シフトと線積分電子密度

プラズマ中では電子が電磁波に応答するため、プラズマの屈折率は真空の1からずれる。そのずれの大きさは電子密度に比例し、かつ波長の2乗に反比例する。このため、レーザー光をプラズマに通すと、真空を通る場合に比べて位相が遅れ、その遅れの量は経路に沿った電子密度の積分値に正確に比例する。これが干渉計測の基礎である。

測定は通常、二つの光の干渉によって行われる。一方の光（探査光）はプラズマを透過し、もう一方（参照光）はプラズマの外を通る。両者を合波すると、検出器で観測される干渉信号の位相は、プラズマによる位相シフトの分だけずれる。位相シフトを2π（フリンジ1本分）ごとに数えることで大きな密度変化も追跡でき、位相の細かい分割によって、例えば0.01度程度の位相分解能、すなわち線積分密度にして10の15乗平方メートル程度の分解能が達成される。これは密度制御やプラズマ物理研究に十分な感度である。

波長の選択は重要な設計判断である。波長が長いほど単位密度あたりの位相シフトが大きく感度が高いが、密度が高くなるとプラズマ周波数による遮断（カットオフ）が起こる。このため、遠赤外レーザー（例えば波長118.8 μmや195 μm）、CO2レーザー（10.6 μm）、あるいは固体レーザーの第二高調波など、装置の密度領域や目的に応じた波長が使われる。水素プラズマの遮断密度は波長の2乗に比例するので、短波長ほど高密度プラズマまで測定できる。

干渉計の光学系の一例として、単一結晶分散型干渉計（SCDI）の構成を示す。レーザー光源の直前に置かれた非線形結晶で基本波と第二高調波が発生し、音響光学素子（AOM）で周波数シフトされた参照光とともにプラズマを透過する様子が描かれている。