CN104375158B

CN104375158B - 一种单原子的探测方法及装置

Info

Publication number: CN104375158B
Application number: CN201410459113.8A
Authority: CN
Inventors: 梁生; 刘子豪; 盛新志; 王向凯; 刘腾飞
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: CN104375158A

Abstract

本发明公开了一种单原子的探测方法及装置，其中，该方法包括：分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的初始速率，并计算其差值N₀(Bus)‑N₀(Drop)；一段时间之后再次分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的速率，并计算其差值N₁(Bus)‑N₁(Drop)；计算所述差值N₁(Bus)‑N₁(Drop)与所述差值N₀(Bus)‑N₀(Drop)的差值，将计算结果D与预先设置的灵敏度变量S相比较，从而判断是否有单原子通过。通过采用本发明公开的方法及装置，可以实现单原子的在线检测，同时该装置结构也较为简单，硬件成本也较低。

Description

一种单原子的探测方法及装置

技术领域

本发明涉及原子探测技术领域，尤其涉及一种单原子的探测方法及装置。

背景技术

单原子探测可以获得待测环境下的原子个数、动能和种类等信息，单原子探测在矿石分析、物质成分分析以及核物理学等工程和科学研究领域具有重要的意义，如超纯物质中杂质的确定、原子和分子涨落现象的研究、超低丰度稀有放射性同位素的探测等。因此对于单原子探测方法的研究具有重要的意义，而随着对原子理论的深入了解，一些对单原子探测的技术已经得到实际的应用与检验。

目前，主要使用如下两种方法进行单原子的探测：

1)共振电离光谱法。美国橡树岭实验室的G.S.Hurst等人于1977年使用把共振电离光谱(Resonance Ionization Spectroscopy)技术与高灵敏度的正比计数器结合起来,在1019个氩原子和1018个甲烷分子的环境中检测到了单个铯(Cs)原子。共振电离光谱法(RIS)本质上是一种光电离方法。这种方法的步骤是,先用一个或几个具有特定能量的光子把处于基态的待测种类原子选择性地激发到选定的量子态,然后再把这些受激原子变成电子——离子对,之后选用适当的电离探测器(如正比计数器、通道式电子倍增器等)测量产生的离子对数,这样,就可以完成对待测原子的定性和定量的测量。实现电离的途径有两种:直接光电离和经里得堡(Redberg)态(即高激发态)的电离。

2)荧光法。前苏联的V.S.Letkhov等人用激光诱发共振萤光方法,美国的J.六.Gelbwachs等人用激光诱发饱和非共振萤光方法检测到了单个钠原子。

荧光法大体上可分为：共振萤光、非共振萤光和双光子萤光等三种类型。目前已成功地于用单原子检测的有共振萤光和非共振萤光方法。其中美国的J.A.Gelbwach等人改进萤光技术,把饱和光学吸收和非共振发射光谱结合起来,提出了饱和非共振光谱(简称SONRES)方法探测原子。这种方法的特点是:萤光波长和激发波长不同,因而散射光对萤光信号没有干扰。同时由于是饱和激发，所以光源的不稳定性对测量无影响故灵敏度很高。

但是，上述单原子探测方法，依然存在一些不足，首先，以上的列举的方法无法实现对于单原子的在线检测，就是不能直接实现对于单原子的即时检测。同时，已有的单原子检测技术无法给出原子的运动信息，如出现的时间以及运动的时间，还有对应检测的灵敏度也较低。而对于上述方法对应的结构较复杂，仪器的对应硬件成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种单原子的探测方法及装置，可以实现单原子的在线检测，同时该装置结构也较为简单，硬件成本也较低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种单原子的探测方法，该方法包括：

分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的初始速率，并计算其差值N₀(Bus)-N₀(Drop)；

一段时间之后再次分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的速率，并计算其差值N₁(Bus)-N₁(Drop)；

计算所述差值N₁(Bus)-N₁(Drop)与所述差值N₀(Bus)-N₀(Drop)的差值，将计算结果D与预先设置的灵敏度变量S相比较，从而判断是否有单原子通过。

一种单原子的探测装置，该装置包括：

单光子计数器，用于探测光子的速率；具体的：用于分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的初始速率，及一段时间之后再次分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的速率；

差值计算模块，用于计算Bus光纤端与Drop光纤端光子初始速率的差值N₀(Bus)-N₀(Drop)、一段时间之后探测到的Bus光纤端与Drop光纤端光子速率的差值N₁(Bus)-N₁(Drop)，以及计算所述差值N₁(Bus)-N₁(Drop)与所述差值N₀(Bus)-N₀(Drop)的差值D；

判断模块，用于根据所述差值D与预先设置的灵敏度变量S相比较，从而判断是否有单原子通过。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方案根据Bus光纤端与Drop光纤端光子速率差与灵敏度变量之间的大小，可以准确、在线实时的判断当前是否有单原子通过；另一方面，实现该方法的装置结构也较为简单，并且无电磁干扰，灵敏度较高，相应的硬件成本也较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种单原子的探测方法的流程图；

图2a为本发明实施例一提供的有单原子通过时的示意图；

图2b为本发明实施例一提供的没有单原子通过时的示意图；

图3为本发明实施例一提供的变量D与时间t关系示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种单原子的探测装置的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种单原子的探测方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括：

步骤11、分别探测Bus光纤端(耦合注入光纤入口端)与Drop光纤端(耦合输出光纤输出端)光子的初始速率，并计算其差值N₀(Bus)-N₀(Drop)。

步骤12、一段时间之后再次分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的速率，并计算其差值N₁(Bus)-N₁(Drop)。

本发明实施例中，可以使用单光子探测器或光子计数器来探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的速率。

两次探测之间的时间间隔可以根据实际情况来确定。

步骤13、计算所述差值N₁(Bus)-N₁(Drop)与所述差值N₀(Bus)-N₀(Drop)的差值，将计算结果D与预先设置的灵敏度变量S相比较，从而判断是否有单原子通过。

所述计算结果D为一变量，具体表示为：

D＝[N₁(Bus)-N₁(Drop)]-[N₀(Bus)-N₀(Drop)]；

其中，N_i(Bus),i＝0,1表示Bus光纤端光子的速率；N_i(Drop),i＝0,1表示Drop光纤端光子的速率。

具体判断时，当D＞S时，则判定有单原子通过；当D＜S时，则判定没有单原子通过。

本发明实施例中，S值表示对于灵敏度的衡量，所述灵敏度变量S越大，则灵敏度越低，此时，意味着要Bus光纤端与Drop光纤端接收到的光子数差距很大才会被定义为有单原子通过；所述灵敏度变量S越小，则灵敏度越高。

为了便于理解，下面结合附图2a-附图2b对上述原理做详细的说明。

附图2a表示有单原子通过时的状态，附图2b表示没有单原子通过时的状态。如图2a所示，当有单原子通过时，将使与通过的单原子耦合从而使光子主要通过Bus光纤端而较少通过Drop光纤端。如图2b所示，当没有单原子经过时，则不改变原有的耦合方式，光子会大量经过Drop光纤端，而降低从Bus光纤端经过的数量。

基于上述原理，本发明实施例在Bus光纤端与Drop光纤端设置单光子计数器，来对通过Bus光纤端与Drop光纤端光子的速率进行检测，从而建立变量D＝[N₁(Bus)-N₁(Drop)]-[N₀(Bus)-N₀(Drop)]。

本发明实施例中，对于输入的光子速率进行合理化规范，为15-20photons/μs，并在通过单光子计数器对在Bus光纤端以及Drop光纤端经过的光子进行计数，计数周期为200ns，变量D与时间t的关系图如图3所示。

图3为变量D随时间变化的图像，为进行单原子检测判断以及制定灵敏度S提供直接依据，从图中可以在直线D＝0上方为当单原子通过时Bus端与Drop端中单位时间光子数的差值变化即N(Bus)-N(Drop)。显然在图像的左右两端的接近直线即为没有单原子通过的情形，因而可以将D＝0作为一种灵敏度，即为只有当：

[N₁(Bus)-N₁(Drop)]-[N₀(Bus)-N₀(Drop)]＞S＝0.6时认为有单原子通过，而我们也同样可以设定灵敏度为0.3，因为从图像中可以看到，单原子出现意味D-t曲线的上升，因此对于上升段在灵敏度较大时可以设定阈值在这里。同样，若要求更高，则可设定阈值更高时判定为有单原子通过。

同时可以对单原子的运动状态进行估计，图三的D-t关系为单原子在接近真空环境中的探测，而单原子出现的5μs时间则与单原子在真空中进行的热运动速率相一致，因而当注入探测气体，通过同样检测D-t图像就可以得到在该气体中单原子的运动状态，从而检测运动信息。而对于气体中存在大量单原子则可通过延长D-t的是时间长度通过观察图像的波动来观察多个单原子的运动情况。

本发明实施例的方案通过Bus光纤端与Drop光纤端光子速率差与灵敏度变量之间的大小，可以准确、在线实时的判断当前是否有单原子通过。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的一种单原子的探测装置的示意图。如图4所示，该装置主要包括：

单光子计数器41，用于探测光子的速率；具体的：用于分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的初始速率，及一段时间之后再次分别探测Bus光纤端与Drop光纤端光子的速率；

差值计算模块42，用于计算Bus光纤端与Drop光纤端光子初始速率的差值N₀(Bus)-N₀(Drop)、一段时间之后探测到的Bus光纤端与Drop光纤端光子速率的差值N₁(Bus)-N₁(Drop)，以及计算所述差值N₁(Bus)-N₁(Drop)与所述差值N₀(Bus)-N₀(Drop)的差值D；

判断模块43，用于根据所述差值D与预先设置的灵敏度变量S相比较，从而判断是否有单原子通过。

进一步的，所述判断是否有单原子通过包括：当D＞S时，则判定有单原子通过；当D＜S时，则判定没有单原子通过。

进一步的，所述灵敏度变量S越大，则灵敏度越低；所述灵敏度变量S越小，则灵敏度越高。

另外，该装置还包括：回音壁模式瓶形微谐振腔与拉锥光纤耦合器；

对于实现上述探测，需要采用能与单原子充分耦合的光微谐振腔，而对于这种强耦合制度的要求，回音壁模式微谐振腔(WGM)可以实现，同时对于回音壁模式微谐振腔还具有较小的耦合损失。该谐振腔为整体的电介质结构，可以使光线沿表面内部是实现全反射传播，而这种效率接近100％。在本发明中则采用较为新颖的瓶型的回音壁模式微谐振腔，因为该种谐振腔不仅具有上述所有优点同时还具有完全可调性，对于探测器的优化设计提供方便。

拉锥光纤耦合器：熔融拉锥法是将2根除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，然后置于高温下加热熔融，同时向光纤两端拉伸，最终在加热区形成双锥形式的特殊波导耦合结构，从而实现光纤耦合的一种方法。具有制作过程简单、附加损耗低、不受环境影响以及成本低廉的优点，并可以为整个耦合系统提供四个端口。

需要说明的是，上述装置中包含的各个功能模块所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

需要说明的是，上述装置中包含的各个功能模块所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。而整个装置包括两个重要的器件，回音壁模式瓶形微谐振腔，以及拉锥光纤耦合器。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种单原子的探测方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断是否有单原子通过包括：

当D＞S时，则判定有单原子通过；

当D＜S时，则判定没有单原子通过。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

所述灵敏度变量S越大，则灵敏度越低；所述灵敏度变量S越小，则灵敏度越高。

4.一种单原子的探测装置，其特征在于，该装置包括：

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述判断是否有单原子通过包括：

当D＞S时，则判定有单原子通过；

当D＜S时，则判定没有单原子通过。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，