CN102928110B - 一种非接触式原子气室温度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种非接触式原子气室温度测量装置及测量方法。利用加热双绞线对原子气室进行加热，开启并调节激光器，同时利用第一分束器分出的一小部分光搭建饱和吸收谱装置；利用第二分束器将激光分为检测光和参考光，调节第一衰减器、第二衰减器使两束激光光强相等，通过λ/4波片使检测光变为左旋圆偏振光，并使检测光通过原子气室；使用第一光电探测器和第一光电探测器对探测光及参考光进行光强探测，做差除和运算，并用数字万用表记录最后处理的结果。本发明可以取代原有磁传感器中采用热敏电阻、铜丝等测温的方法，消除测温探头本身的磁性影响。并且可以省去光陷阱的制作，提高激光光束利用率。

Description

一种非接触式原子气室温度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种温度测量装置，本发明也涉及一种温度测量方法。具体涉及一种非接触式原子磁力仪中原子气室的温度测量装置及方法。

背景技术

温度作为表征物体冷热程度的物理量，是科学技术和工业生产中最基本的物理量之一，因此对温度计量和监测的精确度提出了越来越高的要求。在高灵敏度原子磁力仪的研究中，需要将原子气室加热到一定温度，一般采用高精度热敏电阻进行温度传感，但热敏电阻的使用会带来空间杂散磁场，限制仪器的灵敏度；另外，需要制备光陷阱把透过原子气室的抽运激光全部吸收，以避免光反射带来的原子退极化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可避免杂散磁场的引入，实现温度的准确测量的非接触式原子气室温度测量装置。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的非接触式原子气室温度测量装置的原子气室温度测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的非接触式原子气室温度测量装置为：原子气室6外密绕加热双绞线7置于磁屏蔽筒8内，激光器1后设置第一分光束3a将激光器1的一部分输出光分出、搭建饱和吸收谱装置2对激光器进行稳频控制，第一分光束3a后设置将激光器1的另一部分输出光分成参考光和检测光的第二分光束3b，检测光和参考光的光路上分别设置第一衰减器4a和第二衰减器4b，第一衰减器4a后设置使检测光变为圆偏振光的λ/4波片5，出λ/4波片5的检测光进入原子气室6，原子气室6与第二衰减器4b后设置分别接收检测光与参考光的第一光电探测器9a和第二光电探测器9b，由运算放大器进行差除和运算后输出。

本发明的非接触式原子气室温度测量装置还可以包括：

1、第一探测器9a和第二探测器9b设置记录最后处理结果的数字万用表10。

2、所述激光器1是Littrow结构外腔反馈式半导体激光器。

3、所述磁屏蔽筒8为三层结构，由高磁导率的坡莫合金材料制成。

本发明的非接触式原子气室温度测量方法为：利用加热双绞线7对包含铯原子饱和蒸气的原子气室6进行加热，开启激光器1，调节激光器1的激光二极管的电流、温度和压电陶瓷，同时利用第一分束器3a分出的一小部分光搭建饱和吸收谱装置2，将激光稳定在铯原子D1线跃迁对应的频率上；利用第二分束器3b将激光分为检测光和参考光，调节第一衰减器4a、第二衰减器4b使两束激光光强相等，通过λ/4波片5使检测光变为左旋圆偏振光，并使检测光通过原子气室6；使用第一光电探测器9a和第一光电探测器9b对探测光及参考光进行光强探测，由运算放大器做差除和运算，并用数字万用表10记录最后处理的结果。

本发明提供了一种应用于原子磁力仪研究中的非接触式测温方法—通过探测透射激光的强度来进行磁探头中工作介质温度的传感，不但避免了杂散磁场的引入，实现温度的准确测量，还可以代替原有磁传感器中的光陷阱，提高激光利用率。

本发明利用碱金属原子蒸气吸收光谱的强度随温度变化而变化的性质，通过探测透射激光的强度来进行磁探头中工作介质温度的传感，主要由激光源、原子气室和信号探测器三部分构成；激光源采用Littrow结构外腔反馈式半导体激光器1，其输出光与碱金属原子D1线跃迁频率共振，经分束器3进行两次分束，衰减器4用来调节两束光光强；原子气室6置于高屏蔽系数的磁屏蔽装置8内，由密绕双绞无磁细铜线7进行无磁加热；信号探测部分，采用光电转换器件9将接收到的检测与参考信号做差除和运算，并用数字万用表10记录最后处理的结果。

本发明提供的温度检测方法基本原理是：当气室的温度变化时，气室内碱金属原子的饱和蒸气压也随之变化；在无外界磁场干扰的条件下，当共振激光通过碱金属原子气体时，原子蒸气对激光强度的吸收特性遵守Lambert-Beer定律。因此通过测量透射激光强度的变化可以得出碱金属原子气体的温度。

本发明的优点是：一、结构简单，用于原子磁力仪工作介质温度的测量，不需要额外增加激光光源、原子气室等装置，只需在磁力仪系统中加一个探测装置；二、响应速度快，可随时监控温度的变化；三、准确性高，这是由于碱金属原子的饱和蒸气压随温度的变化非常敏感，而原子数浓度的高低对入射激光的吸收率影响很大；四、该方法可替代原有磁传感器中使用的热敏电阻等，有效的消除了杂散磁场的影响；五、可以提高激光的利用率，省去光陷阱的制作。

附图说明

图1是本发明的非接触式原子气室温度测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

铯原子气室6由密绕双绞线7进行加热，置于磁屏蔽筒8内；激光光源是Littrow结构外腔反馈式半导体激光器1，分光束3a将一部分输出光分出用于搭建饱和吸收谱2对激光器进行稳频控制；再经分光束3b分出参考光和检测光两部分，调节衰减器4使得两束光光强相等；通过λ/4波片5使检测光变为圆偏振光，检测光通过铯原子气室6后与参考光分别被探测器9a和9b接收，进行差除和运算后输出。

通过调节激光二极管的温度（14.06℃）、电流（131.96mA）和PZT（97.75V）将Littrow结构外腔半导体激光器1的波长控制到894nm；利用饱和吸收光谱2及锁相装置将其波长进一步锁定在对应铯原子D1线的F_g=3→F_e=4超精细跃迁线上；衰减器4可以实现激光强度的渐变调节；铯原子气室6为球形玻璃泡，其半径为15mm，进行实验前，先将激光频率调至偏离894nm共振处，排除铯原子对入射光的吸收影响，测量出铯泡的玻璃成分对入射光的损耗情况；用于加热的密绕双绞无磁细铜线7采用的是高纯无氧铜材料，通以直流电流不会引起额外的磁场；磁屏蔽筒8为三层结构，由高磁导率的坡莫合金材料制成，其屏蔽系数高达10⁵，避免了外界磁场引起的介质对激光光强的影响；最后由探测器将光信号转变成电信号，并进行差除和运算，将计算的结果与理论值对照，便可得知此时工作介质铯原子的实际温度。

以上所述的具体实施方案，对本发明的具体制备方法进行了进一步详细说明。本发明所实现的非接触式原子气室温度测量方法，结构简单易操作，响应速度快。

Claims (5)

1.一种非接触式原子气室温度测量装置，其特征是：原子气室（6）外密绕加热双绞线（7）置于磁屏蔽筒（8）内，激光器（1）后设置第一分光束（3a）将激光器（1）的一部分输出光分出、搭建饱和吸收谱装置（2）对激光器进行稳频控制，第一分光束（3a）后设置将激光器（1）的另一部分输出光分成参考光和检测光的第二分光束（3b），检测光和参考光的光路上分别设置第一衰减器（4a）和第二衰减器（4b），第一衰减器（4a）后设置使检测光变为圆偏振光的λ/4波片（5），出λ/4波片（5）的检测光进入原子气室（6），原子气室（6）与第二衰减器（4b）后设置分别接收检测光与参考光的第一光电探测器（9a）和第二光电探测器（9b），由运算放大器进行差除和运算后输出。

2.根据权利要求1所述的非接触式原子气室温度测量装置，其特征是：第一光电探测器（9a）和第二光电探测器（9b）后设置记录最后处理结果的数字万用表（10）。

3.根据权利要求1或2所述的非接触式原子气室温度测量装置，其特征是：所述激光器（1）是Littrow结构外腔反馈式半导体激光器。

4.根据权利要求1或2所述的非接触式原子气室温度测量装置，其特征是：所述磁屏蔽筒（8）为三层结构，由高磁导率的坡莫合金材料制成。

5.一种基于权利要求1所述非接触式原子气室温度测量装置的非接触式原子气室温度测量方法，其特征是：利用加热双绞线（7）对包含铯原子饱和蒸气的原子气室（6）进行加热，开启激光器（1），调节激光器（1）的激光二极管的电流、温度和压电陶瓷，同时利用第一分光束（3a）分出的一小部分光搭建饱和吸收谱装置（2），将激光稳定在铯原子D1线跃迁对应的频率上；利用第二分光束（3b）将激光分为检测光和参考光，调节第一衰减器（4a）、第二衰减器（4b）使两束激光光强相等，通过λ/4波片（5）使检测光变为左旋圆偏振光，并使检测光通过原子气室（6）；使用第一光电探测器（9a）和第二光电探测器（9b）对检测光及参考光进行光强探测，做差除和运算，并用数字万用表（10）记录最后处理的结果。

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