CN103018764A - 基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统及其控制方法，其中，评估系统包括：光源、能级跃迁发生模块、光电检测单元；光源与能级跃迁发生模块连接；能级跃迁发生模块与光电检测单元连接。其控制方法包括：基于能级跃迁发生模块构建三能级模型，包括第一能级、第二能级、第三能级；并对于能级跃迁发生模块达到动态平衡后，d△N/dt＝0，及N₁=0得出公式：最终根据所得公式对微波射频源是否设置分析讨论，并通过光电检测单元检测共振吸收泡透射光强进而反映粒子数反转量。本发明实现了对粒子数反转量的评估测量，且具有结构简单、易操作、准确度高的特点。

Description

基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统及其控制方法

技术领域

本发明属于粒子数反转量测量技术领域，特别涉及一种基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统及其控制方法。

背景技术

原子进行能级跃迁时，通常我们会用基态以及激发态来表征其跃迁性，如从基态到激发态，那么原子则要吸收能量，但由于激发态不稳定，故原子又会从激发态返回到基态，从而放出能量。想要进一步研究原子的跃迁性能，我们通常要给简并的原子态加上一个用于原子分裂的磁场，那么原子的基态就会分裂为超精细结构的两个能级，而原子的共振跃迁实际上是超精细结构两个能级共同反应的。在许多领域，我们要用到原子超精细结构的这两个能级的共振频率，那么就需要对其性能有一定的了解，以进一步研发相应的探测装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统及其控制方法，以弥补现有技术中的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统及其控制方法，其评估系统包括：光源、能级跃迁发生模块、光电检测单元；所述光源与所述能级跃迁发生模块连接；所述能级跃迁发生模块与所述光电检测单元连接。

进一步地，所述能级跃迁发生模块包括：共振吸收单元、磁场控制单元及供能单元；所述共振吸收单元依次与所述光源、所述磁场控制单元、所述供能单元连接；所述光电检测单元与所述共振吸收单元连接。

进一步地，所述共振吸收单元与所述光源之间设置有滤光单元。

进一步地，所述共振吸收单元是由玻璃材质构成呈泡状腔体结构的共振吸收泡；所述共振吸收泡内部含有元素A及气体M。

进一步地，所述磁场控制单元包括：漆包线、恒流源；所述漆包线缠绕在所述共振吸收泡外壁上；所述恒流源通过所述漆包线为所述共振吸收泡提供磁场。

进一步地，所述供能单元是微波射频源。

进一步地，所述滤光单元是由玻璃材质构成呈泡状腔体结构的滤光泡；所述滤光泡内部含有元素B。

进一步地，所述光源用于发射光束的元素是A。

进一步地，所述元素A是⁸⁷Rb；所述元素B是⁸⁵Rb；所述气体M是氢气或氦气。

其控制方法包括如下步骤：

S1：基于所述能级跃迁发生模块构建三能级模型，包括第一能级、第二能级、第三能级；

S2：定义所述第一能级、所述第三能级之间原子跃迁几率是T；定义所述第一能级、所述第二能级之间跃迁几率是W；定义所述第一能级与所述第二能级的总粒子数是N；定义所述第一能级的粒子数是N₁；定义所述第二能级粒子数是N₂；定义原子豫驰时间是τ；

S3：由公式： $\frac{d{N}_1}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{TN}}_1+\frac{1}{2}{\mathrm{TN}}_2-{\mathrm{WN}}_1+{\mathrm{WN}}_2+(\frac{N}{2}-N_1)/\mathrm{\τ}\→\left(1\right)$

$\frac{d{N}_2}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}{\mathrm{TN}}_2-{\mathrm{WN}}_2+{\mathrm{WN}}_1+(\frac{N}{2}-N_2)/\mathrm{\τ}\→\left(2\right)$

计算得出： $\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}\mathrm{TN}-(\frac{T}{2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}+2W)\mathrm{\ΔN}\→\left(4\right)$

其中，△N=N₂-N₁；

S4：对于所述能级跃迁发生模块达到动态平衡后，d△N/dt＝0，及N₁=0得出： $N_1=\frac{1}{2}N(1-\frac{\frac{T}{2}}{\frac{T}{2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}+2W})\→\left(6\right);$

S5：根据式（6）对所述微波射频源是否设置分析讨论，并通过所述光电检测单元检测所述共振吸收泡透射光强。

本发明提供的一种基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统及其控制方法，其中，评估系统包括：光源、能级跃迁发生模块、光电检测单元；光源与能级跃迁发生模块连接；能级跃迁发生模块与光电检测单元连接。其控制方法包括：基于能级跃迁发生模块构建三能级模型，包括第一能级、第二能级、第三能级；并对于能级跃迁发生模块达到动态平衡后，d△N/dt＝0，及N₁=0得出公式：

最终根据所得公式对微波射频源是否设置分析讨论，并通过光电检测单元检测共振吸收泡透射光强进而反映粒子数反转量。本发明实现了对粒子数反转量的评估测量，且具有结构简单、易操作、准确度高的特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统原理结构示意图。

图2为本发明实施例提供的⁸⁷Rb原子能级示意图。

图3为本发明实施例提供的⁸⁵Rb原子能级示意图。

图4为本发明实施例提供的⁸⁵RbD₁线的A、B线与⁸⁷RbD₁线的a、b线的相对位置示意图。

图5为本发明实施例提供的通过含有⁸⁵Rb的滤光泡照到含有⁸⁷Rb的共振吸收泡上的光谱图。

图6为本发明实施例构建的三能级模型示意图。

其中，101-第一能级，102-第二能级，103-第三能级，201-光源，202-滤波单元，203-共振吸收单元，204-磁场控制单元，205-供能单元，206-光电检测单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。

参见图1，本发明实施例提供的一种基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，包括：光源201、能级跃迁发生模块、光电检测单元206。其中，光源201与能级跃迁发生模块连接。能级跃迁发生模块与光电检测单元206连接。

本实施例中，能级跃迁发生模块包括：滤光单元202、共振吸收单元203、磁场控制单元204及供能单元205。其中，滤光单元202依次与光源201、共振吸收单元203连接。共振吸收单元203依次与磁场控制单元204、供能单元205连接。光电检测单元206与共振吸收单元203连接。

本实施例中，共振吸收单元203是由玻璃材质构成呈泡状腔体结构的共振吸收泡。其中，共振吸收泡内部充有元素A及气体M。

本实施例中，磁场控制单元204包括：漆包线、恒流源。其中，漆包线缠绕在共振吸收泡外壁上。恒流源通过漆包线为共振吸收泡提供磁场，用于共振吸收泡内原子发生分裂。

本实施例中，供能单元205是微波射频源，用于为共振吸收泡内原子发生基态磁共振跃迁提供能量。

本实施例中，滤光单元202是由玻璃材质构成呈泡状腔体结构的滤光泡，滤光泡内部还有元素B。同时，光源是充有元素A的光谱灯。

优选地，元素A是⁸⁷Rb；元素B是⁸⁵Rb；气体M是氢气或氦气。

其中，充有⁸⁷Rb气体的光谱灯发出的光，经过含有⁸⁵Rb的滤光泡滤光之后，射入含有⁸⁷Rb和缓冲气体的共振吸收泡内，经过共振吸收泡的共振吸收作用后透射光到达光电检测单元206，通过光电检测单元206将光信号转化为电信号进行检测。

下面，通过对⁸⁵Rb及⁸⁷Rb原子能级进行理论分析进而阐述本发明提供的一种用于控制粒子数反转量评估系统的控制方法。

参见图2-5，铷原子(原子序数37)有⁸⁷Rb、⁸⁵Rb两种同位素，同时，铷为碱金属,只有一个价电子，基态为5²S_1/2态：

1、参见图2，⁸⁷Rb原子能级示意图，其中基态的两个超精细能级跃迁频率约为6835MHz，第一激发态有两个精细结构能级5²P_3/2和5²P_1/2，这两个能级的超精细分裂较基态小，分别为840MHz(F=3与F=0)和430MHz(F=2与F=1)。⁸⁷Rb原子从5²P_3/2、5²P_1/2态回到基态被辐射出D1线、D2线。其中，每条都含有a，b两条谱线，故共有四条谱线。由于多普勒展宽与此分裂值差不多，故激发态的超精细结构无法分辨。因此⁸⁷Rb原子的第一激发态与基态间的跃迁谱线只包括D1和D2线两个超精细结构成分a线和b线。

2、参见图3，⁸⁵Rb原子能级示意图，⁸⁵Rb原子核自旋量子数I=5/2，基态5²P_1/2分成两个超精细能级F=3和F=2，间距3036MHz。其光谱同样也有D1线

和D2线且每条谱线同样包括两个超精细成分A线和B线。

3、参见图4-5，由⁸⁷Rb和⁸⁵Rb的a，b和A，B线比较，并分析其相对位置，由图4可以看出a，A线相距较近，b，B相距较远，故当⁸⁷Rb光源的抽运光经过含有⁸⁵Rb的共振吸收泡后，D₁、D₂线中的a线已被含有⁸⁵Rb的滤光泡吸收掉，基本上只会剩下两条b线。经过滤光泡被吸收掉a线的抽运光到达共振吸收泡后，共振吸收泡中的⁸⁷Rb原子若处在基态F=1的能级上就会被b线抽运到5²P_3/2或5²P_1/2能级上去，但激发态生命很短，它们很快又会自发辐射返回基态。由于在激发态期间，碰撞使得激发态充分混杂，返回基态时落到F=2能级及F=1能级的几率几视为相等。但由于抽运光的存在，只要落到F=1能级上又会被b线抽运到5²P_3/2或5²P_1/2能级上去；而由于没有抽运光的激发,落在F=2能级上的原子却是稳定地停在这个能级上。由于这个过程的存在，抽运光作用的最后结果必然是把原子全部抽运到F=2能级上（实际是全部的原子均匀分布在F=2的五个能级上，每个子能级的原子数是全部原子数的1/5），F=1的能级被抽空。这样，F=2和F=1能级的经过光抽运粒子数差约增加了10³倍。

本实施例中，在进行⁸⁷Rb原子光抽运的过程中，也可将滤光单元去掉。这是由于⁸⁷Rb原子基态子能级在常温下粒子数分布基本上相等。若照射到两线上强度相等，由于处在F=2能级的原子数占（5/8）N，F=1能级的原子数占（3/8）N，所以a线被吸收的多，衰减快；b线被吸收的少，衰减慢。当抽运光在共振吸收泡中行进一段距离后，b线就比a线强的多。这样的抽运光对⁸⁷Rb共振吸收泡后半部分原子就可以实现光抽运把它们抽运到F=2的能级上。因此这种情况下可认为⁸⁷Rb共振吸收泡的前半部分起了滤光泡的作用（滤掉a线），后半部分体现光抽运的效果。

参见图6，本实施例中，基于能级跃迁发生模块假设⁸⁷Rb基态有2个子能级，建立三能级模型，包括：第一能级101、第二能级102及第三能级103。同时，微波射频源为共振吸收泡中原子发生基态磁共振跃迁提供能量。

通过参见图2-5，根据上述理论抽运光中只包含b线，即只能引起共振吸收泡中所述第一能级102、所述第三能级103之间的跃迁。

本实施例中，定义第一能级101、第三能级103之间原子跃迁几率是T；定义微波射频源引起的第一能级101、第二能级102之间跃迁几率是W；定义第一能级101与第二能级102的总粒子数是N；定义第一能级101的粒子数是N₁；定义第二能级102粒子数是N₂；定义原子豫驰时间是τ。其中，在评估系统稳定工作后，原子返回基态时落到第一能级101、第二能级102上的几率视为相等。

基于上述理论，对于时间t求导的能级粒子数方程如下：

$\frac{d{N}_1}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{TN}}_1+\frac{1}{2}{\mathrm{TN}}_2-{\mathrm{WN}}_1+{\mathrm{WN}}_2+(\frac{N}{2}-N_1)/\mathrm{\τ}\→\left(1\right);$

$\frac{d{N}_2}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}{\mathrm{TN}}_2-{\mathrm{WN}}_2+{\mathrm{WN}}_1+(\frac{N}{2}-N_2)/\mathrm{\τ}\→\left(2\right);$

令△N=N₂-N₁；则

$\frac{\mathrm{d\Δ\Δ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{TN}}_1-2\mathrm{W\ΔW}-\frac{\mathrm{\ΔN}}{\mathrm{\τ}}\→\left(3\right);$

因为N=N₁+N₂；则

$\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}\mathrm{TN}-(\frac{T}{2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}+2W)\mathrm{\ΔN}\→\left(4\right);$

同时，当评估系统稳定工作后（达到动态平衡），d△N/dt＝0；则

$\mathrm{\ΔN}=\frac{\frac{T}{2}}{\frac{T}{2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}+2W}\→\left(5\right);$

根据上述理论，由于N1与b线相关，则当第一能级101被抽空，即N₁=0，进而实现粒子数反转，但结合式（5）与关系：N1=（N-ΔN）/2，则：

$\frac{1}{2}N(1-\frac{\frac{T}{2}}{\frac{T}{2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}+2W})\→\left(6\right);$

由式（6）可以看出：

1、当没有微波射频源作用时（即W=0），由于抽运光的作用，第一能级101上的粒子数N₁并不等于零，而是存在一定的量值，利用这个量值可以评估能级跃迁过程中粒子数反转的大小。

2、当有微波射频源作用后，理论上会让共振吸收泡内原子在|F=2，mF=0>和|F=1，mF=0>这两个能级间发生磁共振，这样就有一部分原子从|F=2，mF=0>跃迁到|F=1，mF=0>能级上，从而导致N₁粒子数的增加，这个现象与式（6）中当W由0变为某一值时，引起的N₁变大是一致的。

但只要有一个原子辐射一个微波量子的能量从|F=2，mF=0>跃迁到|F=1，mF=0>能级上，就马上又会吸收一个从光源经滤光泡作用后照射到共振吸收泡中的光量子的能量被激发到激发态，从而使得通过⁸⁷Rb共振吸收泡的光强变弱。

因此，本实施例通过与共振吸收泡连接光电检测单元206来检测含有⁸⁷Rb的共振吸收泡的透射光强，进而反映了N₁粒子数反转前后的变化量。

本发明提供的一种基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统及其控制方法，其中，评估系统包括：光源201、能级跃迁发生模块、光电检测单元206；光源201与能级跃迁发生模块连接；能级跃迁发生模块与光电检测单元206连接。其控制方法包括：基于能级跃迁发生模块构建三能级模型，包括第一能级、第二能级、第三能级；并对于能级跃迁发生模块达到动态平衡后，dΔN/dt＝0，及N₁=0得出公式：

最终根据所得公式对微波射频源是否设置分析讨论，并通过光电检测单元206检测共振吸收泡透射光强进而反映粒子数反转量。本发明实现了对粒子数反转量的评估测量，且具有结构简单、易操作、准确度高的特点。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于，包括：光源、能级跃迁发生模块、光电检测单元；

所述光源与所述能级跃迁发生模块连接；

所述能级跃迁发生模块与所述光电检测单元连接。

2.根据权利要求1所述基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于，所述能级跃迁发生模块包括：共振吸收单元、磁场控制单元及供能单元；

所述共振吸收单元依次与所述光源、所述磁场控制单元、所述供能单元连接；

所述光电检测单元与所述共振吸收单元连接。

3.根据权利要求2所述基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于：所述共振吸收单元与所述光源之间设置有滤光单元。

4.根据权利要求3所述基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于：所述共振吸收单元是由玻璃材质构成呈泡状腔体结构的共振吸收泡；

所述共振吸收泡内部含有元素A及气体M。

5.根据权利要求4所述基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于，所述磁场控制单元包括：漆包线、恒流源；

所述漆包线缠绕在所述共振吸收泡外壁上；

所述恒流源通过所述漆包线为所述共振吸收泡提供磁场。

6.根据权利要求5所述基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于：所述供能单元是微波射频源。

7.根据权利要求6所述基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于：所述滤光单元是由玻璃材质构成呈泡状腔体结构的滤光泡；

所述滤光泡内部含有元素B。

8.根据权利要求7所述基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于：所述光源用于发射光束的元素是A。

9.根据权利要求4-8任一项所述基于能级跃迁的粒子数反转量评估系统，其特征在于：

所述元素A是⁸⁷Rb；所述元素B是⁸⁵Rb；所述气体M是氢气或氦气。

10.一种用于控制权利要求1所述评估系统的控制方法，其特征在于，包括：

S1：基于所述能级跃迁发生模块构建三能级模型，包括第一能级、第二能级、第三能级；

S2：定义所述第一能级、所述第三能级之间原子跃迁几率是T；定义所述第一能级、所述第二能级之间跃迁几率是W；定义所述第一能级与所述第二能级的总粒子数是N；定义所述第一能级的粒子数是N₁；定义所述第二能级粒子数是N₂；定义原子豫驰时间是τ；

S3：由公式： $\frac{d{N}_1}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{TN}}_1+\frac{1}{2}{\mathrm{TN}}_2-{\mathrm{WN}}_1+{\mathrm{WN}}_2+(\frac{N}{2}-N_1)/\mathrm{\τ}\→\left(1\right)$

$\frac{d{N}_2}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}{\mathrm{TN}}_2-{\mathrm{WN}}_2+{\mathrm{WN}}_1+(\frac{N}{2}-N_2)/\mathrm{\τ}\→\left(2\right)$

计算得出： $\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}\mathrm{TN}-(\frac{T}{2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}+2W)\mathrm{\ΔN}\→\left(4\right)$

其中，△N=N₂-N₁；

S4：对于所述能级跃迁发生模块达到动态平衡后，d△N/dt＝0，及N₁=0得出： $N_1=\frac{1}{2}N(1-\frac{\frac{T}{2}}{\frac{T}{2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}+2W})\→\left(6\right);$

S5：根据式（6）对所述微波射频源是否设置分析讨论，并通过所述光电检测单元检测所述共振吸收泡透射光强进而反映粒子数反转量。

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