CN104215553A - 一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，包括驱动激光子系统，测量敏感单元子系统，检测单元子系统。其中，测量敏感单元子系统的功能是为密度与极化率测量提供物理载体以及测试条件；驱动激光子系统的功能是极化气室中碱金属原子；检测单元子系统的功能是测量不同测试条件下检测光的偏转角，解算偏转角得到原子密度与极化率。该装置利用驱动激光子系统产生抽运光照射气室，在测量敏感单元子系统中加固定磁场以产生法拉第旋转角，利用检测单元子系统测量检测光的偏转角，最终通过数据处理器解算出原子密度与极化率。该装置具有测量系统简单，测量精度高的特点，对提高原子惯性与磁场测量的灵敏度具有重要作用。

Description

一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置

技术领域

本发明涉及超高灵敏原子自旋惯性测量技术领域，具体涉及一种碱金属蒸汽原子密度与极化率的测量装置，可用于研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态的操控。

背景技术

碱金属原子极化率的测量对于研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态下的行为有着重要的作用。现今超高精度惯性导航与制导迫切需要超高灵敏惯性测量，惯性测量精度是决定导航与制导精度的核心。原子自旋极化率的稳定性直接影响超高灵敏原子自旋惯性测量标度因数的稳定性，对原子自旋极化率的测量显得尤为重要。同时惰性气体的核自旋需要借助碱金属原子的电子自旋极化，最终实现核自旋的超极化，其中核自旋的极化率也需要利用碱金属原子自旋极化率来计算。目前碱金属原子极化率的测量装置主要为射频磁场装置，使射频磁场在碱金属原子的共振频率处导致一种依赖极化率的跃迁，通过这种方法使射频共振被观测到以实现对极化率的测量。此装置在测量过程中需要调节磁场，得到连续磁场变化下的转角信息，并进行数据曲线处理，对数据采集系统要求高。碱金属蒸汽原子密度与碱金属原子极化率都对研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态有着重要的作用，目前这两种物理量需要利用两套不同的装置分别测出，而且传统测量碱金属蒸汽原子密度与碱金属原子极化率装置存在设备以及实验条件较为复杂等问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，利用法拉第磁光效应原理以及光偏振自旋转原理，对碱金属原子加法拉第磁场并进行激光抽运，利用一套装置测出碱金属蒸汽原子密度以及碱金属原子极化率。

本发明所采用的技术方案是：一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，包括驱动激光子系统，测量敏感单元子系统，检测单元子系统；驱动激光子系统的功能是极化碱金属气室中碱金属原子，系统包括驱动激光器、驱动扩束镜、驱动偏振片、驱动λ/4波片，其中驱动激光器产生对碱金属原子进行抽运的激光，通过驱动扩束镜进行扩束，然后通过驱动偏振片、驱动λ/4波片使激光变为圆偏振光，进而极化碱金属原子；测量敏感单元子系统的功能是为原子密度与极化率测量提供物理载体以及温度与法拉第磁场的测试条件，系统包括气室、烤箱、法拉第磁线圈，其中气室中充有正压N₂的碱金属蒸汽作为测量敏感介质，烤箱用来维持一定的温度使碱金属原子保持气态，法拉第磁线圈提供一个稳定的法拉第磁场；检测单元子系统的功能是测量不同测试条件下检测光的偏转角，通过对偏转角的解算得到碱金属蒸汽原子密度与极化率，系统包括检测激光器、起偏器、准直镜、λ/2波片、λ/4波片、锁相放大器、数据处理器、光弹调制器、检偏器、光电探测器，其中检测激光器产生检测激光，起偏器与检偏器实现对检测激光的起偏与检偏，检测激光通过准直镜进行准直，λ/2波片用于检测抽运光导致的光旋角，由λ/4波片、锁相放大器、光弹调制器、光电探测器所构成的光弹调制检测系统用于测量法拉第磁场导致的法拉第旋转角，最终通过数据处理器解算碱金属蒸汽的原子密度与极化率。

该装置测量方法为：首先将充有正压的N₂的碱金属气室均匀加热至碱金属蒸气饱和；其次，以驱动激光子系统的抽运光照射气室，并以检测单元子系统的检测光测出抽运光导致的光旋角；最后，在测量敏感单元子系统的碱金属气室外加固定磁场，并利用光弹调制检测系统检测出法拉第旋转角。对得到的角度数据进行处理，继而得到碱金属蒸气原子密度，然后根据抽运光导致的光旋角，得到碱金属原子的极化率。其实现步骤如下：

(1)以抽运光照射气室，并利用检测单元子系统中的λ/2波片测出由抽运光导致的光旋角θ_P；

(2)在气室外利用法拉第磁线圈加固定磁场，利用光弹调制检测系统检测出由磁场导致的法拉第旋转角θ_B；

(3)通过步骤(2)得到的法拉第旋转角解算得到碱金属蒸气的原子数密度，方法为：

$N=\frac{18\mathrm{mhc}{\mathrm{\θ}}_B}{{\mathrm{le}}^2{\mathrm{\μ}}_{B}B(\frac{4}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}^2}+\frac{7}{{\mathrm{\Δ}}_{3/2}^2}-\frac{2}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}{\mathrm{\Δ}}_{3/2}})}$

其中，N为碱金属蒸气的原子数密度，l为气室长度，e为电子电荷，μ_B为玻尔磁子,B为磁场强度，Δ_J为频率的失谐Δ_J＝ν-ν_J表示原子从nS_1/2→nP_J跃迁的频率，其中J表示原子总角动量有1/2与3/2两种状态，ν为原子处于基态的频率，ν_J为原子处于激发态的频率，n为原子能级，S为原子基态，P_J为原子第一激发态，m为电子质量，h为普朗克常数，c为光速，θ_B为法拉第偏转角；

(4)通过步骤(1)得到的光旋角以及步骤(3)得到的碱金属蒸气的原子数密度通过数据处理器(37)解算出碱金属原子极化率，方法为：

$P=\frac{6\mathrm{mc}{\mathrm{\θ}}_P}{{\mathrm{Nle}}^2(\frac{1}{{\mathrm{\Δ}}_{3/2}}-\frac{1}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}})}$

其中，P为碱金属原子极化率，N为碱金属蒸气的原子数密度，l为气室长度，e为电子电荷，Δ_J为频率的失谐Δ_J＝ν-ν_J表示原子从nS_1/2→nP_J跃迁的频率，其中J表示原子总角动量有1/2与3/2两种状态，ν为原子处于基态的频率，ν_J为原子处于激发态的频率，n为原子能级，S为原子基态，P_J为原子第一激发态，m为电子质量，h为普朗克常数，c为光速，θ_P为抽运光导致的光旋角。

本发明的原理是：当线偏振光通过置于磁场的介质时，偏振面会发生旋转，在磁场为几十高斯时，该角度可由光弹调制器测量出来。在无磁场的环境下原子蒸汽由于被抽运光抽运，入射线偏振光与原子发生共振相互作用时，偏振光的偏振面也会发生旋转，该角度一般较大，能够利用可旋转λ/2波片来测量出来。通过对这两种角度的解算，得到碱金属蒸气原子密度与碱金属原子极化率。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，该装置在测量原子极化率的过程中也测量了碱金属蒸气原子密度，相对实验设备与实验条件简单，测量数据精度高。

附图说明

图1为本发明中碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量实验的系统示意图。

图2为本发明装置测量方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括驱动激光子系统1，测量敏感单元子系统2，检测单元子系统3；驱动激光子系统1的功能是极化碱金属气室中碱金属原子，系统包括驱动激光器11、驱动扩束镜12、驱动偏振片13、驱动λ/4波片14，其中驱动激光器11产生对碱金属原子进行抽运的激光，通过驱动扩束镜12进行扩束，然后通过驱动偏振片13、驱动λ/4波片14使激光变为圆偏振光，进而极化碱金属原子；测量敏感单元子系统2的功能是为原子密度与极化率测量提供物理载体以及温度与法拉第磁场的测试条件，系统包括气室21、烤箱22、法拉第磁线圈23，其中气室21中充有正压N₂的碱金属蒸汽作为测量敏感介质，烤箱22用来维持一定的温度使碱金属原子保持气态，法拉第磁线圈23提供一个稳定的法拉第磁场；检测单元子系统3的功能是测量不同测试条件下检测光的偏转角，通过对偏转角的解算得到碱金属蒸汽的原子密度与极化率，系统包括检测激光器31、起偏器32、准直镜33、λ/2波片34、λ/4波片35、锁相放大器36、数据处理器37、光弹调制器38、检偏器39、光电探测器310，其中检测激光器31产生检测激光，起偏器32与检偏器39实现对检测激光的起偏与检偏，检测激光通过准直镜33进行准直，λ/2波片34用于检测抽运光导致的光旋角，由λ/4波片35、锁相放大器36、光弹调制器38、光电探测器310所构成的光弹调制检测系统用于测量法拉第磁场导致的法拉第旋转角，最终通过数据处理器37解算碱金属蒸汽的原子密度与极化率。

该装置测量方法如图2所示，具体步骤如下：

1、在气室21中放入少量碱金属，本实施例采用铯金属，气室长度l为5cm～10cm，并充入50托的N₂，用无磁电加热烤箱22将铯金属原子蒸发为气体，使铯金属原子密度达到1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3。将制作的玻璃气室21置于如图1所示的测量敏感单元子系统中，将驱动激光频率调整为铯金属原子的吸收峰线上，对敏感单元中的铯金属原子进行光抽运，使铯金属原子极化。

测量由抽运光导致的光旋角。具体步骤为：

1)放置起偏器32使检测激光经过起偏器后成为线偏振光，放置检偏器38使其光轴垂直正交与起偏器光轴，放置λ/4波片35使其光轴方向平行于起偏器的偏振方向，放置光弹调制器38使其光轴方向与起偏器线偏振片方向夹角为45°；

2)打开检测激光器31调整λ/2波片34使得光弹调制系统输出为0，然后打开驱动激光11照射玻璃气室对铯金属原子进行抽运，使其极化，并检测偏振光偏转角度θ_P；

3)步骤2)中所述检测偏转角度的方法为打开驱动激光11后转动λ/2波片34使得光弹调制系统输出重新为0，抽运光导致的光旋角θ_P＝2θ_λ/2，其中θ_λ/2为λ/2波片34所旋转的角度；

2、在测试完抽运光导致的光旋角后利用法拉第磁线圈23对玻璃气室21加平行于检测光的稳定磁场B约40高斯至几百高斯；利用光弹调制检测系统检测出法拉第旋转角θ_B。

利用光弹调制检测系统数据处理方法为：

I_Lock-in＝I₀θδ

其中I_Lock-in为锁相放大器提取光电探测器输出信号I中频率为驱动正弦波交变电流频率ω的幅值，I₀为检测光初始光强，θ为所测量角度，δ为交变光弹调制旋转的幅度。

3、对步骤2得到法拉第旋转角的数据利用数据处理器37处理得出铯金属蒸汽原子密度，其方法为：

$N=\frac{18\mathrm{mhc}{\mathrm{\θ}}_B}{{\mathrm{le}}^2{\mathrm{\μ}}_{B}B(\frac{4}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}^2}+\frac{7}{{\mathrm{\Δ}}_{3/2}^2}-\frac{2}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}{\mathrm{\Δ}}_{3/2}})}$

其中，l为气室长度为10cm，e为电子电荷为1.6×10^-19，μ_B为玻尔磁子为9.274×10^-24J·T^-1,B为磁场强度为200G，Δ_J为频率的失谐Δ_J＝ν-ν_J表示原子从nS_1/2→nP_J跃迁的频率，其中J表示原子总角动量有1/2与3/2两种状态，ν为原子处于基态的频率，ν_J为原子处于激发态的频率，n为原子能级，S为原子基态，P_J为原子第一激发态，m为电子质量为9.1×10^-31kg，h为普朗克常数为6.626×10^-34J·s，c为光速为3×10⁸m/s，θ_B为法拉第偏转角，最终解得铯金属蒸汽原子密度N为8.17×10¹⁴cm^-3。

4、通过步骤1得到的光旋角以及步骤3得到的铯金属蒸气的原子数密度通过数据处理器37解算出铯金属原子极化率，其方法为：

$P=\frac{6\mathrm{mc}{\mathrm{\θ}}_P}{{\mathrm{Nle}}^2(\frac{1}{{\mathrm{\Δ}}_{3/2}}-\frac{1}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}})}$

其中，P为铯金属原子极化率，N为铯金属蒸汽原子密度为8.17×10¹⁴cm^-3，l为气室长度为10cm，e为电子电荷为1.6×10^-19，Δ_J为频率的失谐Δ_J＝ν-ν_J表示原子从nS_1/2→nP_J跃迁的频率，其中J表示原子总角动量有1/2与3/2两种状态，ν为原子处于基态的频率，ν_J为原子处于激发态的频率，n为原子能级，S为原子基态，P_J为原子第一激发态，m为电子质量为9.1×10^-31kg，h为普朗克常数为6.626×10^-34J·s，c为光速为3×10⁸m/s，θ_P为抽运光导致的光旋角，最终解得铯金属原子极化率P为0.366。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，其特征在于：包括驱动激光子系统(1)，测量敏感单元子系统(2)，检测单元子系统(3)；驱动激光子系统(1)的功能是极化碱金属气室中碱金属原子，驱动激光子系统(1)包括驱动激光器(11)、驱动扩束镜(12)、驱动偏振片(13)、驱动λ/4波片(14)，其中驱动激光器(11)产生对碱金属原子进行抽运的激光，通过驱动扩束镜(12)进行扩束，然后通过驱动偏振片(13)、驱动λ/4波片(14)使激光变为圆偏振光，进而极化碱金属原子；测量敏感单元子系统(2)的功能是为密度与极化率测量提供物理载体以及温度与法拉第磁场的测试条件，测量敏感单元子系统(2)包括气室(21)、烤箱(22)、法拉第磁线圈(23)，其中气室(21)中充有正压N₂的碱金属蒸汽作为测量敏感介质，烤箱(22)用来维持一定的温度使碱金属原子保持气态，法拉第磁线圈(23)提供一个稳定的法拉第磁场；检测单元子系统(3)的功能是测量不同测试条件下检测光的偏转角，通过对偏转角的解算得到碱金属蒸汽的原子密度与极化率，检测单元子系统(3)包括检测激光器(31)、起偏器(32)、准直镜(33)、λ/2波片(34)、λ/4波片(35)、锁相放大器(36)、数据处理器(37)、光弹调制器(38)、检偏器(39)、光电探测器(310)，其中检测激光器(31)产生检测激光，检测激光经过起偏器(32)进行起偏后进入测量敏感单元子系统(2)，之后检测激光利用准直镜(33)进行准直，通过λ/2波片(34)检测抽运光导致的光旋角，再利用由λ/4波片(35)、锁相放大器(36)、光弹调制器(38)、光电探测器(310)所构成的光弹调制检测系统测量法拉第磁场导致的法拉第旋转角，检偏器(39)实现对检测激光的检偏，最终通过数据处理器(37)解算碱金属蒸汽的原子密度与极化率。

2.根据权利要求1所述的一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，其特征在于：包括以下步骤：

(1)以抽运光照射气室(21)，并利用检测单元子系统中的λ/2波片(34)测出由抽运光导致的光旋角θ_P；

(2)在气室(21)外利用法拉第磁线圈(23)加固定磁场，利用光弹调制检测系统检测出由磁场导致的法拉第旋转角θ_B；

(3)通过步骤(2)得到的法拉第旋转角解算得到碱金属蒸气的原子数密度，方法为：

$N=\frac{18\mathrm{mhc}{\mathrm{\θ}}_B}{{\mathrm{le}}^2{\mathrm{\μ}}_{B}B(\frac{4}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}^2}+\frac{7}{{\mathrm{\Δ}}_{3/2}^2}-\frac{2}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}{\mathrm{\Δ}}_{3/2}})}$

其中，N为碱金属蒸气的原子数密度，l为气室长度，e为电子电荷，μ_B为玻尔磁子,B为磁场强度，Δ_J为频率的失谐，Δ_J＝ν-ν_J表示原子从nS_1/2→nP_J跃迁的频率，其中J表示原子总角动量有1/2与3/2两种状态，ν为原子处于基态的频率，ν_J为原子处于激发态的频率，n为原子能级，S为原子基态，P_J为原子第一激发态，m为电子质量，h为普朗克常数，c为光速，θ_B为法拉第偏转角；

(4)通过步骤(1)得到的光旋角以及步骤(3)得到的碱金属蒸气的原子数密度通过数据处理器(37)解算出碱金属原子极化率，方法为：

$P=\frac{6\mathrm{mc}{\mathrm{\θ}}_P}{{\mathrm{Nle}}^2(\frac{1}{{\mathrm{\Δ}}_{3/2}}-\frac{1}{{\mathrm{\Δ}}_{1/2}})}$

其中，P为碱金属原子极化率，N为碱金属蒸气的原子数密度，l为气室长度，e为电子电荷，Δ_J为频率的失谐Δ_J＝ν-ν_J表示原子从nS_1/2→nP_J跃迁的频率，其中J表示原子总角动量有1/2与3/2两种状态，ν为原子处于基态的频率，ν_J为原子处于激发态的频率，n为原子能级，S为原子基态，P_J为原子第一激发态，m为电子质量，h为普朗克常数，c为光速，θ_P为抽运光导致的光旋角。