CN103472000B - 含缓冲气的原子气体中各组分比例的检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了含缓冲气的原子气体中各组分比例的检测方法：将准直激光器作为探测光源输出准直光束；准直光束通过格兰泰勒棱镜得到线偏振准直光束；线偏振准直光束的总光强由光强功率计进行测量并将测量得到的数据传输至电脑；线偏振准直光束入射到样品台上并在通过样品台后形成向四周扩散的传输光；向四周扩散的传输光的光强由积分球和示波器进行测量并将测量得到的数据传输至电脑；向四周扩散的传输光的光强和线偏振准直光束的总光强由电脑进行数据分析计算得到向四周扩散的传输光的透射率，进一步计算得出含缓冲气体的原子气体中非缓冲气体和缓冲气体的组分比例F。解决了封闭气室中含缓冲气体的原子气体组分无损检测问题。同时还公开了该装置。

Description

含缓冲气的原子气体中各组分比例的检测方法及装置
技术领域
本发明涉及原子气体检测技术领域，特别是一种利于散射系统中光波扩散传输特性对含缓冲气体的原子气体中各组分比例进行检测的方法及装置。
背景技术
原子气体介质是当代科技创新和工业生产中最为基础也是最为重要的一类基本体系，在冷原子研究、光谱技术、电磁学、时频计量等多个领域都具有不可替代的巨大作用。原子气体最重要的应用方面之一就是用作原子频标中物理部分的工作物质。原子频标是基于原子能级跃迁的一种时频计量技术，是目前最为精确的时频计量基准。现今，在原子频标物理部分工作物质中应用最为广泛的就是氢、铷、铯等原子气体。在实际的生产及使用过程中，原子气体被封装于一个透明气泡中，为了显著提高原子频标的准确度，通常在封装的原子气体气泡中还会同时充入部分缓冲气体。作为原子频标中产生固定频率的核心部分，原子气体具有十分关键的地位。由于含有缓冲气体的原子气体中各个组分比例的变化将对原子频标的稳定度以及准确度等关键参数会产生显著影响，所以对封装好的原子气体各个组分的比例进行有效的无损检测对于原子频标的高性能工作具有巨大帮助。但是，由于气泡具有密闭性，目前还没有很好的技术手段对封装好的含有缓冲气体的原子气体各个组分比例进行非破坏性检测。如果能够设计研发出一种方法对含有缓冲气体的原子气体中各组分比例进行有效的无损检测，那么不仅会极大地提高人们的工作效率，而且还会有助于原子频标的进一步研发。
当光波入射到散射体系时，其前向传输行为会受到散射体的散射作用，导致其传输方向、光强分布等特性发生改变。此时，光强分布不再集中于光波的入射方向，而是向四周扩散传输，光的扩散传输行为遵从扩散理论，根据该理论能够得到散射体系内部的信息。考虑到原子气体弥散在气泡当中，是一个典型的散射体系，因此，当光波入射时同样具有扩散传输行为，而我们也就可以根据其扩散传输行为分析得到原子气体的特性。
本发明就是针对含缓冲气体的原子气体中各组分比例的无损检测这一关键问题，利用光波扩散传输特性设计了一种含缓冲气体的原子气体中各组分比例的检测装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含缓冲气的原子气体中各组分比例的检测方法，该方法通过光波的扩散传输行为的测量分析得到含缓冲气体的原子气体中各组分比例，解决了封闭气室中含缓冲气体的原子气体组分特性难以进行无损检测的关键问题。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种含缓冲气的原子气体中各组分比例的检测装置。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种含缓冲气的原子气体中各组分比例的检测方法，该方法包括如下步骤：
1)将准直激光器作为探测光源，输出准直光束；
2)将步骤1)得到的准直光束通过格兰泰勒棱镜得到线偏振准直光束；
3)步骤2)得到的线偏振准直光束的总光强由光强功率计进行测量并将测量得到的数据由数据线传输至电脑；
4)步骤2)得到的线偏振准直光束入射到样品台上并在通过样品台后形成向四周扩散的传输光；
5)步骤4)得到的向四周扩散的传输光的光强由积分球和示波器进行测量并将测量得到的数据由数据线传输至电脑；
6)步骤4)得到的向四周扩散的传输光的光强和步骤2)得到的线偏振准直光束的总光强由电脑进行数据分析计算得到向四周扩散的传输光的透射率，并进一步计算得出含缓冲气体的原子气体中非缓冲气体和缓冲气体的组分比例F。
优选地，步骤1)所述探测光源的工作波长为600nm-800nm范围，准直光束的发散角小于10-4rad的，输出方式为连续输出或脉冲输出。
优选地，步骤4)所述线偏振准直光束与样品台的前表面入射角成90°。
为解决本发明的第二个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种含缓冲气的原子气体各组分比例的检测装置，该装置包括探测光源、格兰泰勒棱镜、样品台、积分球、示波器、光电探测器和电脑。
探测光源是由准直激光器输出的一束准直激光束；所述准直激光束经过格兰泰勒棱镜形成线偏振准直激光束，并由光电探测器测量线偏振准直激光束总光强；所述线偏振准直激光束通过样品台，并形成沿入射方向不变的传输光和向四周扩散的传输光两部分；所述沿入射方向不变的传输光直接通过积分球，向四周扩散的传输光由积分球和示波器测量；线偏振准直激光束的总光强和向四周扩散的传输光光强数据由电脑进行收集分析得到含缓冲气体的原子气体中各组分比例。
优选地，所述探测光源的工作波长为600nm-800nm，输出发散角小于10-4rad，输出方式为连续输出或脉冲输出；
优选地，所述线偏振准直光束与样品台的前表面入射角成90°。
优选地，所述格兰泰勒棱镜的线偏振通道方向为任意方向，偏振度大于10000:1
含缓冲气体的原子气体中非缓冲气体和缓冲气体的组分质量比例F的表达式为：
F=f/(1-f),
其中f为非缓冲气体所占的质量百分比。
所述非缓冲气体所占的质量百分比可由原子气体浓度ρ的表达式得出：
ρ=[mf/a1+m(1-f)/a2]/V,
其中m为含缓冲气体的原子气体的总质量，a1和a2分别为非缓冲气体和缓冲气体的原子质量，V为缓冲气体的原子气体的总体积。
所述混合原子气体浓度表达式为：
ρ=1/(lσ)，
其中l为传输平均自由程，σ为散射截面。
所述散射截面表达式为：
σ=(n2-1)2，
其中n为原子气体的有效折射率。
所述有效折射率表达式为：
n2=ε
根据扩散理论，所述传输平均自由程可由向四周扩散的传输光的透射率T的表达式为：
T=[(1+z)-(1+z+L/l)exp(-L/l)]/(L/l+2z)
其中L是散射体系的厚度，其中z为常数。
所述含缓冲气体的原子气体中非缓冲气体和缓冲气体的组分比例F可通过电脑由向四周扩散的传输光的透射率T计算得出。
本发明的效果是利用光波的扩散传输行为，提供一种含缓冲气体的原子气体中组分比例的检测方法及装置。该装置可以通过光波的扩散传输行为的测量分析得到含缓冲气体的原子气体中各组分比例，解决了封闭汽室中含缓冲气体的原子气体组分特性难以进行无损检测的关键问题。
附图说明
图1是本发明所提出的含缓冲气的原子气体中各组分比例检测装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。
如图1所示，一种含缓冲气的原子气体各组分比例的检测装置，该装置包括探测光源1，格兰泰勒棱镜2、样品台3、积分球4、示波器5、光电探测器6和电脑7。
准直激光器作为探测光源1输出一束准直激光束，工作波长为600nm-800nm，输出发散角小于10-4rad，输出方式为连续输出或脉冲输出；准直激光束经过格兰泰勒棱镜2形成线偏振准直激光束，并由光电探测器6测量线偏振准直激光束总光强；线偏振准直激光束通过样品台3，线偏振准直光束入射的角度与样品台的前表面成90°，并形成沿入射方向不变的传输光和向四周扩散的传输光两部分；沿入射方向不变的传输光直接通过积分球4，向四周扩散的传输光由积分球4和示波器5测量；线偏振准直激光束的总光强和向四周扩散的传输光光强数据由电脑7进行收集分析得到含缓冲气体的原子气体中各组分比例。
其中，格兰泰勒棱镜的线偏振通道方向为任意方向，偏振度大于10000:1。
利用上述装置，对含缓冲气的原子气体中各组分比例的检测方法包括如下步骤：
1）将准直激光器作为探测光源1输出准直光束，工作波长为600nm至800nm范围，准直光束的发散角小于10-4rad的，准直激光器输出方式为连续输出或脉冲输出；
2）将准直光束通过格兰泰勒棱镜2得到线偏振准直光束；
3）所述线偏振准直光束的总光强由光强功率计6进行测量并将测量得到的数据由数据线传输至电脑7；
4）所述线偏振准直光束入射到样品台3上并在通过样品台后形成向四周扩散的传输光，其中样品台3与线偏振准直光束成90°；
5）所述向四周扩散的传输光的光强由积分球4和示波器5进行测量并将测量得到的数据由数据线传输至电脑7；
6）所述向四周扩散的传输光的光强和线偏振准直光束的总光强由电脑5进行数据分析计算得到向四周扩散的传输光的透射率，并进一步计算得出含缓冲气体的原子气体中非缓冲气体和缓冲气体的组分比例F。

Claims (4)

1.含缓冲气的原子气体中各组分比例的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将准直激光器作为探测光源(1)，输出准直光束；
2)将步骤1)得到的准直光束通过格兰泰勒棱镜(2)得到线偏振准直光束；
3)步骤2)得到的线偏振准直光束的总光强由光电探测器(6)进行测量并将测量得到的数据由数据线传输至电脑(7)；
4)步骤2)得到的线偏振准直光束入射到样品台(3)上并在通过样品台后形成向四周扩散的传输光；
5)步骤4)得到的向四周扩散的传输光的光强由积分球(4)和示波器(5)进行测量并将测量得到的数据由数据线传输至电脑(7)；
6)步骤4)得到的向四周扩散的传输光的光强和步骤2)得到的线偏振准直光束的总光强由电脑(7)进行数据分析计算得到向四周扩散的传输光的透射率，并进一步计算得出含缓冲气体的原子气体中非缓冲气体和缓冲气体的组分比例F。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤1)所述探测光源(1)的工作波长为600nm-800nm范围，准直光束的发散角小于10-4rad，输出方式为连续输出或脉冲输出。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤4)所述线偏振准直光束与样品台(3)的前表面入射角成90°。
4.执行权利要求1-3中的任一种检测含缓冲气的原子气体中各组分比例方法的检测装置，包括探测光源(1)、格兰泰勒棱镜(2)、样品台(3)、积分球(4)、示波器(5)、光电探测器(6)和电脑(7)；
其特征在于：探测光源(1)是由准直激光器输出的一束准直激光束；所述准直激光束经过格兰泰勒棱镜(2)形成线偏振准直激光束，并由光电探测器(6)测量线偏振准直激光束总光强；所述线偏振准直激光束通过样品台(3)，并形成沿入射方向不变的传输光和向四周扩散的传输光两部分；所述沿入射方向不变的传输光直接通过积分球(4)，向四周扩散的传输光由积分球(4)和示波器(5)测量；线偏振准直激光束的总光强和向四周扩散的传输光光强数据由电脑(7)进行收集分析得到含缓冲气体的原子气体中各组分比例；
所述探测光源(1)的工作波长为600nm-800nm，输出发散角小于10-4rad，输出方式为连续输出或脉冲输出；
所述线偏振准直激光束与样品台(3)的前表面入射角成90°；
所述格兰泰勒棱镜(2)的线偏振通道方向为任意方向，偏振度大于10000:1。
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