CN105043930B - 采用具有微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置的检测方法 - Google Patents
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Abstract
微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置和方法，涉及微结构碱金属气室的检测技术领域。它为了解决现有碱金属气室检测装置只能逐个对气室进行检查，导致光路调制耗时且检测成本高，不能保证各气室单元检测的一致性的问题。微结构碱金属气室与光电管阵列具有相似性，经气室出射的光束通过凸透镜聚焦后分别透射到相应的光电管，采集信号处理电路将检测信号与标准气室的检测信号进行对比和分析，最终实现各气室单元的碱金属蒸汽原子密度的检测。本发明适用于芯片原子钟、微结构原子磁力仪、微型原子陀螺等微结构设备的检测，特别适用于将圆片级微结构碱金属气室作为磁阵列成像敏感单元的成像系统的检测。
Description
技术领域
本发明涉及微结构碱金属气室的检测技术。
背景技术
随着科学技术发展，目前出现了微结构碱金属气室的制作工艺，微结构碱金属气室是芯片原子钟、微结构原子磁力仪、微型原子陀螺等新原理量子传感器件的核心部件，其性能的状态直接影响对应产品的性能指标，尤其将来在磁成像阵列系统中，微结构碱金属气室中单个气室将作为磁阵列成像敏感单元起到关键性作用。但由于碱金属元素比较活泼，常温条件下极易与空气中的氧气和水等产生化学反应而失去作用，且易汽化，从而导致微结构碱金属气室在制作过程中，各气室碱金属蒸汽原子密度有一定差异，且会出现一定温度下，碱金属蒸汽原子密度未达到饱和蒸汽压的情况，为了保证微结构气室中各个气室单元在使用中的一致性，以便后续各个单元处理，防止成像单元出现盲点等问题，因此在微结构碱金属气室制作后，需要对微结构碱金属气室进行检测筛选。随着微结构碱金属气室的高集成化发展，现有单个气室排查的检测方式只能逐个对气室进行检查，导致光路调制耗时且检测成本高，不能保证各气室单元检测的一致性，导致测量结果不准确，因此不利于微结构碱金属气室的检测。
发明内容
本发明是为了解决现有碱金属气室检测装置只能逐个对气室进行检查，导致光路调制耗时且检测成本高，而且由于不能保证各气室单元检测的一致性，导致测量结果不准确，从而提供微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置和采用该装置检测微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度方法。
微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置，包括激光器、准直系统、衰减器、扩束镜、采集信号处理电路、标准气室组件、凸透镜和光电管阵列，
准直系统将激光器出射的光束准直透射到衰减器，衰减器将光束透射到扩束镜，扩束镜将光束准直透射到微结构碱金属气室或标准气室组件，微结构碱金属气室或标准气室组件的气室单元将光束透射到凸透镜，凸透镜将光束聚集到光电管阵列的光电管，每个光电管的信号输出端连接采集信号处理电路中相应光电管的信号输入端，采集信号处理电路的控制信号输出端连接激光器的控制信号输入端。
激光器为包含碱金属原子吸收谱线的可调制激光器。
上述光电管阵列与凸透镜的距离为l，l＝f(1-h2/h1)，其中f为凸透镜的焦距，h2为光电管阵列中光电管单元的边长，h1为碱金属气室单元的边长。
上述光电管阵列为与微结构碱金属气室相匹配的光电管阵列。
采用上述微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置检测微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在激光器的调制信号输入端输入扫描波形；
步骤二、调节衰减器，使输入到标准气室组件(6)的每个气室单元的光功率为1μW-50μW；
步骤三、将标准气室组件放置于扩束镜和凸透镜之间的平行光区域；
步骤四、采集信号处理电路对标准气室组件测试后，用微结构碱金属气室替换标准气室组件，得出各碱金属气室单元的碱金属蒸汽原子密度。
上述步骤一中输入三角波叠加正弦波的扫描波形。
上述步骤一中输入三角波的频率为Hz数量级，叠加的正弦波为KHz数量级。
上述输入到标准气室组件(6)的每个气室单元的光功率为4μW。
本发明所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置，激光器为包含碱金属原子吸收谱线的可调制激光器，由于气室单元光程较短，其吸收较弱，为提高信噪比，要对激光器输出到气室的光功率进行调整，因此在激光器后端设置光衰减器，以控制光功率，提高信噪比。准直系统与扩束镜实现了将平行光束的光斑照射到微结构碱金属气室或标准气室组件。由于微结构碱金属气室与光电管阵列具有相似性，因此经各碱金属气室出射的光束通过凸透镜聚焦后分别透射到相应的光电管，采集信号处理电路将检测信号与标准气室的检测信号进行对比和分析，实现微结构各气室单元的碱金属蒸汽原子密度的检测，相对于现有逐个气室的检测方法，本发明不必每检测一个气室就重新调制光路，检测过程中调制光路省时且检测成本低。逐个气室的检测方式，由于检测每个气室时的外界条件不能保证相同，因而无法保证各气室单元检测的一致性，而本发明是对各气室单元在相同的环境下同时检测，可以保证各气室单元检测的一致性，提高了测量结果的准确性。
本发明所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测方法，为了解决中心波长难以严格稳定对准气体吸收峰的问题，在激光器的调制信号输入端输入三角波形，从而保证即使激光器的中心波长受温度、电流波动影响产生漂移，也可以保证在波长变化范围内扫描到吸收峰，输入的正弦波形调制激光器的输出频率和输出光强，使激光器产生谐波信号，通过谐波的检测方式计算出碱金属蒸汽原子密度。采集信号处理电路对标准气室和各 气室单元的碱金属蒸汽原子密度信号采集与计算分析，得出阵列中各气室单元的碱金属蒸汽原子密度。相对于现有逐个气室的检测方法，本发明不必每检测一个气室就重新调制光路，检测过程中调制光路省时、检测成本低；逐个气室的检测方式，由于检测每个气室时的外界条件不能保证相同，因而无法保证各气室单元检测的一致性，而本发明是对各气室单元在相同的环境下同时检测，可以保证各气室单元检测的一致性，提高了测量结果的准确性。
本发明适用于芯片原子钟、微结构原子磁力仪、微型原子陀螺等微结构设备的检测，特别适用于将圆片级微结构碱金属气室作为磁阵列成像敏感单元的成像系统的检测。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置的结构示意图。
图2是具体实施方式八所述的20kHz正弦波形图。
图3是具体实施方式八所述的100Hz的三角波形图。
图4是具体实施方式八所述的100Hz的三角波叠加20kHz正弦波后的波形图。
图5是具体实施方式八所述的多普勒展宽的铷原子吸收谱。
图6是具体实施方式三中的微结构碱金属气室的结构示意图。
图7是具体实施方式三中的光电二极管阵列的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置，包括激光器1、准直系统2、衰减器3、扩束镜4、采集信号处理电路5、标准气室组件6、凸透镜7和光电管阵列8，
准直系统2将激光器1出射的光束准直透射到衰减器3，衰减器3将光束透射到扩束镜4，扩束镜4将光束准直透射到微结构碱金属气室或标准气室组件6，微结构碱金属气室或标准气室组件6的气室单元将光束透射到凸透镜7，凸透镜7将光束聚集到光电管阵列8的光电管，每个光电管的信号输出端连接采集信号处理电路5中相应光电管的信号输入端，采集信号处理电路5的控制信号输出端连接激光器1的控制信号输入端。
采集信号处理电路5的每个信号输入端与每个光电管的信号输出端一一对应。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置作进一步说明，本实施方式中，光电管阵列8与凸透镜7的距离为l，l＝f(1-h2/h1)，其中f为凸透镜7的焦距，h2为光电管阵列8中光电管单元的边长，h1 为碱金属气室单元的边长。
具体实施方式三：参照图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置作进一步说明，本实施方式中，光电管阵列8为与微结构碱金属气室相匹配的光电管阵列。
具体实施方式四：本实施方式是采用具体实施方式一所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置检测微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在激光器1的调制信号输入端输入扫描波形；
步骤二、调节衰减器3，使输入到标准气室组件(6)的每个气室单元的光功率为1μW-50μW；
步骤三、将标准气室组件6放置于扩束镜4和凸透镜7之间的平行光区域；
步骤四、采集信号处理电路5对标准气室组件测试后，用微结构碱金属气室替换标准气室组件6，得出各碱金属气室单元的碱金属蒸汽原子密度。
测量方法采用红外光谱吸收测量法。红外光谱吸收测量的重要理论依据是选择吸收理论：原子只吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子。因此，不同物质会因为不同结构所决定的不同能级差而吸收不同频率(能量)的光子，可通过红外光谱吸收测量方式检测微结构碱金属气室内部各个气室中碱金属蒸汽原子密度的情况。
通过Beer定律进行信号检测，以铷原子为例，考虑一束探测光入射到长度为l1的铷原子介质中，其吸收系数为β，经过介质后，入射光强I0衰减为I，其强度由Beer定律给出
I＝I0exp(-βl1) (1)
式中吸收系数β∝n(T)σ(ω)，n(T)为碱金属蒸汽原子数密度(单位体积内的原子数)，散射截面λ0为共振波长。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中输入三角波叠加正弦波的扫描波形。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中三角波的频率为Hz数量级，叠加的正弦波的频率为KHz数量级。
为了解决中心波长难于严格稳定对准气体吸收峰的问题，采用三角波叠加正弦波扫描的方法，三角波信号用于改变激光器的输出波长，使其在中心波长附近进行扫描。设置扫描范围，使得即使激光器的中心波长受温度、电流波动影响产生漂移，也可以保证在波长变化范围内扫描到吸收峰。激光器在某个直流偏置的情况下对应一个稳定工作点，为了产生谐波信号，在激光器直流工作点上叠加一个正弦波调制信号，激光器的输出频率和输出光强也将受到调制，进而通过谐波的检测方式计算出碱金属蒸汽原子密度。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，输入到标准气室组件(6)的每个气室单元的光功率为4μW。
具体实施方式八：结合图2至图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测方法进行验证。
本实施方式中采用碱金属铷原子气室对检测方法进行验证。对于铷原子来说,饱和蒸汽压PV可由下述经验公式给出：
其中T为铷原子的温度,39.1摄氏度为铷原子的熔点。当把饱和蒸汽近似看作理想气体时,利用下式
可以得到n(T)，式中n为原子密度数，kB是Boltzmann常数。
使用频率为100Hz的三角波调制激光器的驱动电流使输出激光频率线性扫描选定的检测吸收线，并且使用20kHz正弦波调制驱动电流，通过调制激光的输出频率来实现吸收谐波测量。首先调制扫描三角波幅度，并检测激光器输出波长，使其包含794.984nm和794.969nm，确定调制深度，并进行扫描检测，可检测铷的吸收谱信号，如图5所示。其次通过采集处理电路，将激光器输出波长锁定于其中一个吸收谱线上，最后通过与该气室对应的光电管数据检测处理，得到该铷碱金属气室的铷蒸汽原子密度。试验中分别采用 40摄氏度、60摄氏度、80摄氏度、100摄氏度对气室加热，而得到该气室的碱金属蒸汽原子数密度与经验公式计算得到的密度接近，误差仅为1％-5％，证明该气室单元在使用中能够满足微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的要求。图2为1ms内的正弦波形图，图3为100ms内的三角波形图，图4为100ms内三角波叠加正弦波后的波形图。
Claims (5)
1.采用具有微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置的检测方法，
微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置，包括激光器(1)、准直系统(2)、衰减器(3)、扩束镜(4)、采集信号处理电路(5)、标准气室组件(6)、凸透镜(7)和光电管阵列(8)，
准直系统(2)将激光器(1)出射的光束准直透射到衰减器(3)，衰减器(3)将光束透射到扩束镜(4)，扩束镜(4)将光束准直透射到微结构碱金属气室或标准气室组件(6)，微结构碱金属气室或标准气室组件(6)的气室单元将光束透射到凸透镜(7)，凸透镜(7)将光束聚集到光电管阵列(8)的光电管，每个光电管的信号输出端连接采集信号处理电路(5)中相应光电管的信号输入端，采集信号处理电路(5)的控制信号输出端连接激光器(1)的控制信号输入端；所述光电管阵列(8)为与微结构碱金属气室相匹配的光电管阵列；
激光器(1)为包含碱金属原子吸收谱线的可调制激光器；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在激光器(1)的调制信号输入端输入扫描波形；
步骤二、调节衰减器(3)，使输入到标准气室组件(6)的每个气室单元的光功率为1μW-50μW；
步骤三、将标准气室组件(6)放置于扩束镜(4)和凸透镜(7)之间的平行光区域；
步骤四、采集信号处理电路(5)对标准气室组件测试后，用微结构碱金属气室替换标准气室组件(6)，得出各碱金属气室单元的碱金属蒸汽原子密度。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤一中输入三角波叠加正弦波的扫描波形。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，步骤一中三角波的频率为Hz数量级，叠加的正弦波的频率为KHz数量级。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤二中，输入到标准气室组件(6)的每个气室单元的光功率为4μW。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，光电管阵列(8)与凸透镜(7)的距离为l，l＝f(1-h2/h1)，其中f为凸透镜(7)的焦距，h2为光电管阵列(8)中光电管单元的边长，h1为碱金属气室单元的边长。
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