CN106949985B - 一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法，首先，将充有K、Rb原子的碱金属气室加热到较低的启动温度，测得K、Rb原子的激光吸收光谱并通过理论公式进行拟合计算，得到启动温度下K、Rb原子的密度，联立Raoult’s定律，得出启动温度以及启动温度下K、Rb原子的饱和蒸气压，计算K、Rb原子的摩尔分数比；将气室加热至待测温度，由于在SERF态下共振点附近，Rb原子密度很大，吸收十分强烈，通过曲线拟合获得Rb原子密度存在较大的偏差，因此通过光谱吸收法得到K原子的密度，结合K原子的摩尔分数，计算得到待测温度，可应用于基于混合光抽运的原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中所采用碱金属气室的内部温度的精确测量。

Description

一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法，可应用于基于混合光抽运的原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中所采用碱金属气室的内部温度的精确测量。

背景技术

碱金属气室是原子磁强计、原子陀螺仪等量子测量仪器的核心敏感器件。碱金属气室内部温度的精确检测是实现碱金属内部温度高精度控制的前提。原子磁强计的灵敏度和原子陀螺的漂移与碱金属原子的极化率密切相关，而碱金属原子的极化率受温度影响。因此，提出一种检测碱金属气室内部温度的方法具有重要的意义。

常用的检测方法采用热电阻等接触式温度测量方法，只能测量烤箱以及碱金属气室壁的温度，不能精确得到碱金属气室内部的温度，无法实现碱金属气室内温度的精确控制，这会对碱金属原子的极化率造成很大的影响，进而影响原子磁强计的灵敏度和原子陀螺的漂移。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有常规方法的不足，提供一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法，提高了碱金属气室内部温度测量的精度。

提出一种在启动温度精确测量两种碱金属原子的摩尔分数，在待测温度精确测量较低密度的碱金属原子密度，结合较低密度原子的摩尔分数，得到待测的工作温度。以基于K-Rb-²¹Ne的原子陀螺仪为例。首先，将充有K、Rb原子的碱金属气室加热到较低的启动温度，测得K、Rb原子的激光吸收光谱并通过理论公式进行拟合计算，得到启动温度下K、Rb原子的密度，联立Raoult’s定律，得出启动温度以及启动温度下K、Rb原子的饱和蒸气压，计算K、Rb原子的摩尔分数比；将气室加热至待测温度，由于在SERF态下共振点附近，Rb原子密度很大，吸收十分强烈，通过曲线拟合获得Rb原子密度存在较大的偏差，因此通过光谱吸收法得到K原子的密度，结合K原子的摩尔分数，计算得到待测温度。可应用于基于混合光抽运的原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中所采用碱金属气室的内部温度的精确测量。

其具体实现方法及步骤如下：

(1)加热充有K、Rb碱金属原子的气室至较低100-120℃的温度，作为启动温度T1；

(2)采用波长调谐范围在K、Rb原子D1线附近的分布式布拉格反射激光器DBRL，将DBR激光器输出的激光照射于碱金属气室并进行扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出K、Rb两种碱金属原子的光学深度曲线，然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，获得K、Rb碱金属原子光学深度曲线的压力展宽Γ_{K_T1}、Γ_{Rb_T1}，进而得到K、Rb碱金属原子吸收截面积最大值σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}，计算K、Rb碱金属原子吸收截面积的公式分别如下：

σ_{max_K_T1}＝2/πΓ_{K_T1}

σ_{max_Rb_T1}＝2/πΓ_{Rb_T1}

(3)利用密度与光学深度最大值OD_{max_K_T1}、OD_{max_Rb_T1}、吸收截面最大值σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}和气室长度l的关系，分别得到较低的启动温度T1下两种碱金属原子密度，计算K、Rb碱金属原子密度n_{K_T1}、n_{Rb_T1}的公式如下：

其中，n_{K_T1}、n_{Rb_T1}分别为启动温度T1下碱金属气室中K、Rb原子的密度；OD_{max_K_T1}、OD_{max_Rb_T1}为K、Rb原子的光学深度最大值；σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}为K、Rb原子的吸收截面最大值，l为碱金属气室的长度；

(4)通过测得的启动温度T1下的碱金属原子密度，并利用启动温度T1下单种碱金属原子饱和时的原子密度n_{sd_K_T1}、n_{sd_Rb_T1}，得到两种碱金属原子精确的摩尔分数N_K、N_Rb，摩尔分数的计算公式如下：

N_K+N_Rb＝1；

其中，T1温度下K、Rb单种碱金属原子饱和时的原子密度n_sd为：

其中，A和B是与原子种类有关的常数，T1是启动温度，通过该步骤中的上述四个公式，计算出启动温度T1，带入原式即得到K、Rb的摩尔分数；n_{sd_K_T1}、n_{sd_Rb_T1}为启动温度T1下单种碱金属原子饱和时的原子密度；

(5)加热充有K、Rb碱金属原子的气室至工作温度T2，工作温度T2为190℃-200℃，根据步骤(2)(3)中所述的方法，得到工作温度T2下的K原子的密度n_{K_T2}，通过：

计算出工作温度T2，即碱金属气室内部温度，其中，N_K通过步骤(4)获得，是已知的。

所述步骤(2)中的K、Rb两种碱金属原子的光学深度曲线的计算公式为：

其中，υ为入射激光的扫描频率，I_out和I_in分别为碱金属气室出射和入射激光的光强。

所述步骤(2)中的对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合所采用的洛伦兹函数为：

其中，k为比例系数，υ为入射激光的扫描频率，υ₀为中心频率，Γ为谱线压力展宽，即洛伦兹曲线的半高全宽。

所述步骤(2)中吸收截面积计算公式为：

σ(υ)＝πr_ecfL(υ)

其中，r_e是电子半径，c是光速，f是振子强度。

所述步骤(2)中的吸收截面积最大值为：

其中，r_e是电子半径，c是光速，f是振子强度。

本发明的原理在于：由于传统的饱和吸收光谱在原子数密度很大，即碱金属气室处于较高的工作温度时，在共振峰两侧很大的范围吸收很强，很难通过两种碱金属原子的吸收曲线拟合得到温度的准确值。通过测量低温下的碱金属原子数密度，得到K、Rb两种碱金属原子的摩尔分数比，进而将碱金属气室加热到工作温度，由于在SERF态下共振点附近，Rb原子吸收强烈，通过曲线拟合获得Rb原子密度存在较大的偏差，因此我们先得到K原子的密度，结合在较低的启动温度下得到的摩尔分数比，得到K原子在工作温度，即待测温度下K原子的饱和蒸汽压，通过饱和蒸气压和温度的关系式得到待测的工作温度的数值。通过在较低的启动温度下测量原子摩尔分数，在较高的工作温度精确测量K原子密度，得到K原子在待测工作温度下的饱和蒸气压，推算得到待测的工作温度。

本发明与现有技术相比的优点在于：通过在较低的启动温度T1，测量K、Rb原子摩尔分数，T1范围为100℃-120℃，，在较高的工作温度T2(即待测温度)，T2范围为190℃-200℃，精确测量K原子密度，结合在较低的启动温度下得到的摩尔分数比，得到K原子在工作温度，即待测温度下K原子的饱和蒸汽压，通过饱和蒸气压和温度的关系式得到待测的工作温度的数值，实现了基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精确测量方法，提高了碱金属气室内部温度的测量精度。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为本发明中碱金属气室内部温度测量的实验装置示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明基于系统设计的基本需求，整个光路系统包括激光器1、斩波器5、1/2波片2、偏振分光棱镜4、消偏振分光棱镜6、锁相放大器10、波长计3、光电探测8和9、碱金属气室7、数据采集系统11。

如图1所示，本发明方法实现如下：

(1)将待测的充有K、Rb两种碱金属原子的气室安装于如图2所示的实验系统中，将其加热至较低的启动温度。

激光器1输出的激光经过波片2和偏振分光棱镜4后分为两束光，一束传输至波长计3以测量其频率，另一束光进入斩波器5后，对光进行调制，通过一个分光比为1:1的消偏振分光棱镜6，一束通过光电探测器9进入锁相放大器10进行解调，以减小环境中杂散光的影响，最后进入数据采集系统11，另一束通过充有K、Rb两种碱金属原子的碱金属气室7后，通过光电探测器8进入锁相放大器10进行解调，最后进入数据采集系统11。

(2)采用波长调谐范围在K、Rb原子D1线附近的分布式布拉格反射激光器DBRL，将DBR激光器输出的激光照射于碱金属气室并进行扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出K、Rb两种碱金属原子的光学深度曲线，然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，获得K、Rb碱金属原子光学深度曲线的压力展宽Γ_{K_T1}、Γ_{Rb_T1}，进而得到K、Rb碱金属原子吸收截面积最大值σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}，计算K、Rb碱金属原子吸收截面积的公式分别如下：

σ_{max_K_T1}＝2/πΓ_{K_T1}

σ_{max_Rb_T1}＝2/πΓ_{Rb_T1}

(3)利用密度与光学深度最大值OD_{max_K_T1}、OD_{max_Rb_T1}、吸收截面最大值σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}和气室长度l的关系，分别得到较低的启动温度T1下两种碱金属原子密度，计算K、Rb碱金属原子密度n_{K_T1}、n_{Rb_T1}的公式如下：

其中，n_{K_T1}、n_{Rb_T1}分别为启动温度T1下碱金属气室中K、Rb原子的密度；OD_{max_K_T1}、OD_{max_Rb_T1}为K、Rb原子的光学深度最大值；σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}为K、Rb原子的吸收截面最大值，l为碱金属气室的长度；

(4)通过测得的启动温度T1下的碱金属原子密度，并利用启动温度T1下单种碱金属原子饱和时的原子密度n_{sd_K_T1}、n_{sd_Rb_T1}，得到两种碱金属原子精确的摩尔分数N_K、N_Rb，摩尔分数的计算公式如下：

N_K+N_Rb＝1；

其中，T1温度下K、Rb单种碱金属原子饱和时的原子密度n_sd为：

其中，A和B是与原子种类有关的常数，T1是启动温度，通过该步骤中的上述四个公式，计算出启动温度T1，带入原式即得到K、Rb的摩尔分数；n_{sd_K_T1}、n_{sd_Rb_T1}为启动温度T1下单种碱金属原子饱和时的原子密度；

(5)加热充有K、Rb碱金属原子的气室至工作温度T2，工作温度T2为190℃-200℃，根据步骤(2)(3)中所述的方法，得到工作温度T2下的K原子的密度n_{K_T2}，通过：

计算出工作温度T2，即碱金属气室内部温度，其中，N_K通过步骤(4)获得，是已知的。

本发明说明书中未做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 (5)

1.一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)加热充有K、Rb碱金属原子的气室至较低100-120℃的温度，作为启动温度T1；

(2)采用波长调谐范围在K、Rb原子D1线附近的分布式布拉格反射激光器，将分布式布拉格反射激光器输出的激光照射于碱金属气室并进行扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出K、Rb两种碱金属原子的光学深度曲线，然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，获得K、Rb碱金属原子光学深度曲线的压力展宽Γ_{K_T1}、Γ_{Rb_T1}，进而得到K、Rb碱金属原子吸收截面积最大值σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}，计算K、Rb碱金属原子吸收截面积的公式分别如下：

σ_{max_K_T1}＝2/πΓ_{K_T1}

σ_{max_Rb_T1}＝2/πΓ_{Rb_T1}

(3)利用密度与光学深度最大值OD_{max_K_T1}、OD_{max_Rb_T1}、吸收截面最大值σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}和气室长度l的关系，分别得到较低的启动温度T1下两种碱金属原子密度，计算K、Rb碱金属原子密度n_{K_T1}、n_{Rb_T1}的公式如下：

其中，n_{K_T1}、n_{Rb_T1}分别为启动温度T1下碱金属气室中K、Rb原子的密度；OD_{max_K_T1}、OD_{max_Rb_T1}为K、Rb原子的光学深度最大值；σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}为K、Rb原子的吸收截面最大值，l为碱金属气室的长度；

(4)通过测得的启动温度T1下的碱金属原子密度，并利用启动温度T1 下单种碱金属原子饱和时的原子密度n_{sd_K_T1}、n_{sd_Rb_T1}，得到两种碱金属原子精确的摩尔分数N_K、N_Rb，摩尔分数的计算公式如下：

N_K+N_Rb＝1；

其中，T1温度下K、Rb单种碱金属原子饱和时的原子密度n_sd为：

其中，A和B是与原子种类有关的常数，T1是启动温度，通过该步骤中的上述四个公式，计算出启动温度T1，带入原式即得到K、Rb的摩尔分数；n_{sd_K_T1}、n_{sd_Rb_T1}为启动温度T1下单种碱金属原子饱和时的原子密度；

(5)加热充有K、Rb碱金属原子的气室至工作温度T2，工作温度T2为190℃-200℃，根据步骤(2)(3)中所述的方法，得到工作温度T2下的K原子的密度n_{K_T2}，通过：

计算出工作温度T2，即碱金属气室内部温度，其中，N_K通过步骤(4)获得，是已知的。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的K、Rb两种碱金属原子的光学深度曲线的计算公式为：

其中，υ为入射激光的扫描频率，I_out和I_in分别为碱金属气室出射和入射激光的光强。

3.根据权利要求1所述的一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合所采用的洛伦兹函数为：

其中，k为比例系数，υ为入射激光的扫描频率，υ₀为中心频率，Γ为谱线压力展宽，即洛伦兹曲线的半高全宽。

4.根据权利要求1所述的一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中吸收截面积计算公式为：

σ(υ)＝πr_ecfL(υ)

其中，r_e是电子半径，c是光速，f是振子强度，L(v)为洛伦兹函数。

5.根据权利要求1所述的一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的吸收截面积最大值为：

其中，r_e是电子半径，c是光速，f是振子强度。