CN107167437B - 一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法 - Google Patents

一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法，将充有K、Rb的碱金属气室加热到启动温度，测得K、Rb的激光吸收光谱，得到启动温度下K、Rb的密度，联立拉乌尔定律，得出启动温度和启动温度下K、Rb的饱和蒸气压和摩尔分数比；加热气室至工作温度，在SERF态下共振点附近，Rb密度很大，吸收十分强烈，通过曲线拟合获得Rb密度有较大的偏差，因此通过光谱吸收法得到K的密度，结合已知的K的摩尔分数，计算得到工作温度；结合Rb的摩尔分数，得到工作温度下Rb的饱和蒸气压，进而得到工作温度下Rb的密度。本发明适用于混合光抽运中，饱和吸收光谱在原子数密度很大，在共振峰两侧很大的范围吸收很强，通过拟合曲线难以得到密度的情况。

Description

一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法，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中碱金属原子密度的精确测量。
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。碱金属原子密度测量可以为SERF原子陀螺仪和磁强计极化率闭环提供支撑；为SERF惯性和磁场测量装置弛豫机理提供基础保障；为SERF装置、样机灵敏度和漂移优化提供研究基础。因此，提出一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法具有重要意义。
现有的经验公式法根据碱金属气室的温度推算碱金属蒸气的原子密度，具有简单便捷的优点，但受温度测量精度限制混合抽运无法使用；光学吸收法根据光通过气室的衰减程度推算原子密度，相对简单、精度较高，但SERF态下共振频率附近吸收光强测量精度差；光旋角法根据激光通过碱金属蒸气时产生的光学偏转角推算碱金属蒸气的原子密度，精度较高，但需要外加磁场，无法测量。
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原子密度精确测量方法，提高了气室内碱金属原子密度的测量精度。
本发明的技术解决方案为：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，在工作温度精确测量较低密度的碱金属原子密度，在工作温度精确推算较高密度的碱金属原子密度的方法，实现基于混合光抽运的碱金属原子密度精确测量。以基于K-Rb-21Ne的原子陀螺仪为例。首先，将充有K、Rb两种碱金属原子的碱金属气室加热到较低的启动温度，分别测得两种碱金属原子的激光吸收光谱；对测得的谱线通过理论公式进行拟合并计算，得到启动温度下两种碱金属原子的摩尔分数比；将碱金属气室加热至工作温度，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，因此先通过光谱吸收法得到K原子的密度；结合两种碱金属原子的摩尔分数，通过拉乌尔(Raoult’s law)定律，得到工作温度下Rb原子的密度。本发明适用于传统的饱和吸收光谱在原子数密度很大，即碱金属气室处于工作温度时，在共振峰两侧很大的范围吸收很强，很难通过曲线拟合得到密度的准确值的情况，可以实现混合光抽运下两种碱金属原子密度的精确测量。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中碱金属原子密度的精确测量。
如图1所示，本发明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的启动温度T1，启动温度T1范围为100-120℃；
(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ΓK_T1、ΓRb_T1，进而得到K、Rb碱金属原子吸收截面积最大值σmax_K_T1、σmax_Rb_T1，计算K、Rb碱金属原子吸收截面积的公式分别如下：
σmax_K_T1＝2/πΓK_T1
σmax_Rb_T1＝2/πΓRb_T1
(3)利用密度与光学深度最大值ODmax_K_T1、ODmax_Rb_T1、吸收截面最大值σmax_K_T1、σmax_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nK_T1、nRb_T1的公式如下：
其中，nK_T1、nRb_T1分别为启动温度T1下碱金属气室中K、Rb原子的密度；ODmax_K_T1、ODmax_Rb_T1为K、Rb原子的光学深度最大值；σmax_K_T1、σmax_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nsd_K_T1、nsd_Rb_T1，得到两种碱金属原子精确的摩尔分数NK、NRb，摩尔分数的计算公式如下：
NK+NRb＝1；
其中，T1温度下K、Rb单种碱金属原子饱和时的原子密度nsd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；nsd_K_T1、nsd_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nK_T2，通过：
计算出工作温度T2，即碱金属气室内部温度，其中，NK通过步骤(4)获得，是已知的。
(6)通过：
得到Rb原子工作温度T2下饱和时的原子密度nsd_Rbhigh，通过：
得到工作温度T2下Rb原子的密度nRb_high。
所述步骤(2)中的光学深度曲线计算公式为：
其中，υ为入射激光的频率，Iout和Iin分别为碱金属气室出射和入射激光的光强。
所述步骤(2)中的洛伦兹函数为：
其中，k为比例系数，υ为激光扫描频率，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)中的吸收截面积为：
σ(υ)＝πrecfL(υ)
其中，re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：
所述步骤(4)中的单种碱金属原子饱和时的原子密度nsd为：
其中，A和B是与原子种类有关的常数。
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，很难通过曲线拟合得到密度的准确值。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，通过拉乌尔定律计算得到K原子的密度。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，在工作温度精确推算Rb原子密度，实现基于混合光抽运的原子密度精确测量方法。
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，测量原子摩尔分数，T1范围为100℃-120℃，在较高的工作温度T2，T2范围为190℃-200℃，精确测量K原子密度，在工作温度精确推算Rb原子密度，实现基于混合光抽运的原子密度精确测量方法，提高了碱金属气室内原子密度的测量精度。
附图说明
图1为本发明的测量方法流程图；
图2为本发明中激光吸收光谱测量的实验装置示意图。
具体实施方式
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、斩波器、1/2波片、PBS、NPBS、锁相放大器、波长计、光电探测器、碱金属气室等外加数据采集和显示设备。
(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T1。
激光器1输出的激光经过波片2和偏振4分光棱镜后分为两束光，一束传输至波长计3以测量其频率，另一束光进入斩波器6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ΓK_T1、ΓRb_T1，进而得到K、Rb碱金属原子吸收截面积最大值σmax_K_T1、σmax_Rb_T1，计算K、Rb碱金属原子吸收截面积的公式分别如下：
σmax_K_T1＝2/πΓK_T1
σmax_Rb_T1＝2/πΓRb_T1
(3)利用密度与光学深度最大值ODmax_K_T1、ODmax_Rb_T1、吸收截面最大值σmax_K_T1、σmax_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nK_T1、nRb_T1的公式如下：
其中，nK_T1、nRb_T1分别为启动温度T1下碱金属气室中K、Rb原子的密度；ODmax_K_T1、ODmax_Rb_T1为K、Rb原子的光学深度最大值；σmax_K_T1、σmax_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nsd_K_T1、nsd_Rb_T1，得到两种碱金属原子精确的摩尔分数NK、NRb，摩尔分数的计算公式如下：
NK+NRb＝1；
其中，T1温度下K、Rb单种碱金属原子饱和时的原子密度nsd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；nsd_K_T1、nsd_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nK_T2，通过
计算出工作温度T2，即碱金属气室内部温度，其中，NK通过步骤(4)获得，是已知的。
(6)通过：
得到Rb原子工作温度T2下饱和时的原子密度nsd_Rbhigh，通过：
得到工作温度T2下Rb原子的密度nRb_high。
总之，本发明适用于传统的饱和吸收光谱在原子数密度很大，即碱金属气室处于工作温度时，在共振峰两侧很大的范围吸收很强，很难通过曲线拟合得到密度的准确值的情况，可以实现混合光抽运下两种碱金属原子密度的精确测量。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中碱金属原子密度的精确测量。
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原子密度精确测量方法，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的启动温度T1，启动温度T1范围为100-120℃；
(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DBRL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ΓK_T1、ΓRb_T1，进而得到K、Rb碱金属原子吸收截面积最大值σmax_K_T1、σmax_Rb_T1，计算K、Rb碱金属原子吸收截面积的公式分别如下：
σmax_K_T1＝2/πΓK_T1
σmax_Rb_T1＝2/πΓRb_T1
(3)利用密度与光学深度最大值ODmax_K_T1、ODmax_Rb_T1、吸收截面最大值σmax_K_T1、σmax_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nK_T1、nRb_T1的公式如下：
其中，nK_T1、nRb_T1分别为启动温度T1下碱金属气室中K、Rb原子的密度；ODmax_K_T1、ODmax_Rb_T1为K、Rb原子的光学深度最大值；σmax_K_T1、σmax_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nsd_K_T1、nsd_Rb_T1，得到两种碱金属原子精确的摩尔分数NK、NRb，摩尔分数的计算公式如下：
NK+NRb＝1；
其中，T1温度下K、Rb单种碱金属原子饱和时的原子密度nsd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；nsd_K_T1、nsd_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nK_T2，通过：
计算出工作温度T2，即碱金属气室内部温度，其中，NK通过步骤(4)获得，是已知的；
(6)通过：
得到Rb原子工作温度T2下饱和时的原子密度nsd_Rb_T2，通过：
得到工作温度T2下Rb原子的密度nRb_T2。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的光学深度曲线计算公式为：
其中，υ为入射激光的频率，Iout和Iin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原子密度精确测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的洛伦兹函数为：
其中，k为比例系数，υ为激光扫描频率，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原子密度精确测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中的吸收截面积为：
σ(υ)＝πrecfL(υ)
其中，re是电子半径，c是光速，f是振子强度，υ为激光扫描频率，Γ为谱线压力展宽，即洛伦兹曲线的半高全宽。
5.根据权利要求1所述的一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中的单种碱金属原子饱和时的原子密度nsd为：
其中，A和B是与原子种类有关的常数。
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