CN108872011B - 基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置，属于原子干涉仪技术领域。所述方法包括步骤：步骤一、频率为碱金属原子共振频率的激光由激光光源发射后经过起偏器起偏变为线偏振光；步骤二、线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转形成旋转偏振光；步骤三、利用光电探测器对检偏器输出的光功率进行探测并转化为光电压信号；步骤四、根据锁相放大器检测的光电压信号的交流分量和示波器检测的光电压信号的直流分量求得所述碱金属原子蒸气密度。本发明还提供一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置。利用本发明提供的方法及装置，利用碱金属原子蒸气的法拉第效应及相干探测实现微弱信号检测，提高测量精度。

Description

基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于原子干涉技术领域，具体涉及一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置。

背景技术

实现原子干涉的基本前提是对冷原子团的制备，而对于冷原子团的制备，原子蒸气密度是一项重要参数。

对于碱金属原子蒸气，通常利用激光与原子的相互作用来测量和分析其密度大小。但是测量过程中所需要的超冷原子团、波色爱因斯坦凝聚体(Bose-Einsteincondensation，BEC)的蒸气密度远低于常规系统，无法通过常规检测仪器如真空计对蒸气密度进行直接测量。

现有的探测碱金属原子蒸气密度的测量方法，如吸收法、荧光法都难以对碱金属原子蒸气密度进行精确测量；对于通常提高探测极限的手段，如通过对激光功率或频率进行调制，由于激光参数对电压变化敏感也难以应用到所述的吸收法或荧光法当中。

发明内容

为了解决现有技术中对于碱金属原子蒸气密度测量存在的问题，本发明提出一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置，用于碱金属原子蒸气的密度测量。

一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法，所述方法具体包括如下步骤：

步骤一、由激光光源发射的激光，经过起偏器起偏变为线偏振光；所述激光的频率为碱金属原子共振频率；

步骤二、所述线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转，形成旋转偏振光；所述碱金属原子气室两端设置第一线圈与第二线圈，所述第一线圈与第二线圈的一端同时连接信号发生器，另一端均接地。通过信号发生器对第一线圈和第二线圈提供方波电压后，碱金属原子气室内产生沿所述线偏振光传播方向的交变磁场，使线偏振光发生旋转；所述的旋转形成的旋转角为一个极小量的角度。

步骤三、所述旋转偏振光透过检偏器后，利用光电探测器对检偏器输出的光功率进行探测并转化为光电压信号，所述光电压信号的交流分量由锁相放大器检测，所述光电压信号的直流分量由示波器检测；

步骤四、利用公式

根据锁相放大器检测的光电压信号的交流分量U_A1和示波器检测的光电压信号U_D2的直流分量求得所述碱金属原子蒸气密度；

其中，m为电子质量，ε₀为真空介电常数，c为真空光速，e为电子电量，f为振子强度，l为碱金属原子气室5的长度，g是朗德因子，μ是玻尔磁子，B是磁感应强度，

为普朗克常数h与2π的比值，Γ为谱线宽度，U_A1为光电压信号的交流分量电压信号大小，R₁为锁相放大器光电转换系数，U_D2为光电压信号的直流分量电压信号大小，R₂为示波器光电转换系数。

本发明还提供一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置，所述测量装置包括：激光光源、起偏器、信号发生器、第一线圈、碱金属原子气室、第二线圈、检偏器、光电探测器、锁相放大器和示波器。所述激光光源依次连接起偏器、碱金属原子气室和检偏器，频率为碱金属原子共振频率的激光由激光光源发射后经过所述起偏器后变成线偏振光，所述线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转形成旋转偏振光，所述碱金属原子气室两端设置第一线圈与第二线圈，所述第一线圈与第二线圈的一端同时连接信号发生器，另一端均接地。通过信号发生器对第一线圈和第二线圈提供方波电压后，对碱金属原子气室施加沿所述线偏振光传播方向的交变磁场；所述旋转偏振光经过检偏器后光功率发生变化，利用光电探测器对光功率发生变化的旋转偏振光的光功率进行探测后转化为光电压信号，所述光电探测器有两个输出端，分别与所述锁相放大器和所述示波器的输入端相连，所述光电压信号的交流分量由所述锁相放大器检测，所述光电压信号的直流分量由所述示波器检测，所述信号发生器有三个输出端，分别与所述第一线圈的一端、所述第二线圈一端以及所述锁相放大器输入端相连，所述第一线圈、所述第二线圈的另一端均接地。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明利用碱金属原子蒸气的法拉第效应中信号强度与蒸气密度是线性关系的特点，把方波电压施加到线圈上用于产生交变磁场，避开了激光频率、功率不稳定的因素，实现了微弱信号检测，提高了测量精度和极限。

附图说明

图1是本发明提供的基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置结构图；

图2是基于法拉第效应的相干探测原理图；

图中：

1：激光光源； 2：起偏器； 3：信号发生器； 4：第一线圈； 5：碱金属原子气室；

6：第二线圈； 7：检偏器； 8：光电探测器； 9：锁相放大器； 10：示波器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

本发明提供一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法，结合图1，所述方法具体包括如下步骤：

步骤一、由激光光源1发射的激光，经过起偏器2起偏变为线偏振光；所述激光的频率为碱金属原子共振频率；

步骤二、所述线偏振光进入碱金属原子气室5后发生旋转，形成旋转偏振光。

所述碱金属原子气室5两端设置第一线圈4与第二线圈6，所述第一线圈4与第二线圈6的一端同时连接信号发生器3，另一端均接地。通过信号发生器3对第一线圈4和第二线圈6提供方波电压，对碱金属原子气室5施加沿所述线偏振光传播方向的交变磁场，使得线偏振光发生旋转；所述旋转形成的旋转角

为极小量；

步骤三、所述旋转偏振光透过检偏器后，利用光电探测器对检偏器输出的光功率进行探测并转化为光电压信号，所述光电压信号的交流分量由锁相放大器9检测，所述光电压信号的直流分量由示波器10检测；

步骤四、利用公式(13)，根据锁相放大器9检测的光电压信号的交流分量和示波器10检测的光电压信号的直流分量求得所述碱金属原子蒸气密度。

本发明还提供一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置，如图1所示，所述测量装置包括：激光光源1、起偏器2、信号发生器3、第一线圈4、碱金属原子气室5、第二线圈6、检偏器7、光电探测器8、锁相放大器9和示波器10；所述激光光源1依次连接起偏器2、碱金属原子气室5和检偏器7，频率为碱金属原子共振频率的激光由所述激光光源1发射激光经过所述起偏器2后变成线偏振光，所述线偏振光进入碱金属原子气室5后发生旋转角为

的旋转形成旋转偏振光。所述碱金属原子气室5两端设置第一线圈4与第二线圈6，所述第一线圈4与第二线圈6的一端分别连接信号发生器3，另一端均接地。通过信号发生器3对第一线圈4和第二线圈6提供方波电压后，对碱金属原子气室5施加沿所述线偏振光传播方向的交变磁场，使得线偏振光发生旋转；所述旋转偏振光经过检偏器7后光功率发生变化，利用光电探测器8对经过检偏器7的旋转偏振光的光功率进行探测并转化为光电压信号，所述光电探测器8有两个输出端，分别与所述锁相放大器9和所述示波器10的输入端相连，所述光电压信号的交流分量由所述锁相放大器9检测，所述光电压信号的直流分量由所述示波器10检测。所述信号发生器3有三个输出端，分别与所述第一线圈4的一端、所述第二线圈6的一端以及所述锁相放大器9输入端相连；所述第一线圈4、所述第二线圈6的另一端均接地。

应用本发明提供的一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法和测量装置，频率为碱金属原子共振频率的激光由激光光源1发射后经过所述起偏器2后变成线偏振光X，如图2所示，横轴为检偏轴，纵轴为起偏轴，设所述线偏振光X的电场强度振幅为

所述线偏振光X相对起偏器2起偏轴的夹角为α，将所述线偏振光X的电场强度振幅

分解为平行于所述起偏轴与垂直于所述起偏轴两个方向的分量，则平行于起偏轴方向的分量为

垂直于起偏轴方向的分量即透射光电场强度绝对值

为：

所述线偏振光X进入碱金属原子气室5后发生旋转角为

的旋转形成旋转偏振光，所述旋转偏振光经过检偏器7后光功率发生变化，将所述线偏振光X平行于起偏轴方向的分量

经旋转

角度后分解为平行于检偏器7检偏轴方向的分量，将垂直于起偏轴方向的分量

分解为平行于检偏轴方向的分量，则分量

和分量

在检偏轴方向分量

和

的电场强度绝对值分别为

和

假设

相对

之间存在的相位差为δ，则二者的矢量表示分别为：

其中，i为虚数单位，因此旋转偏振光的电场强度矢量

是

与

相干叠加的结果：

利用光电探测器8对旋转偏振光的光功率进行探测，由于干涉效果的存在，光电探测器8探测得到的旋转偏振光的光功率会变大，根据现有理论可知，光功率与电场强度的平方成正比，因此旋转偏振光与透射光的光功率差ΔI为：

其中，

为垂直于起偏轴方向的分量即透射光电场强度绝对值，

为旋转偏振光的电场强度绝对值。

由式(8)可知，当δ＝0时，光功率差ΔI具有最大值，此时，上式(8)变化为：

由于考虑到

是一个极小量，则上式(9)可简化为：

由式(10)可知，当α＝45°时可以使ΔI最大，约为：

可见，通过使线偏振光相对检偏轴旋转形成一个角度

相比于线偏振光不旋转的检测方案，光电探测器8所探测得到的光电压信号放大约

被所述光电探测器8探测的旋转偏振光的光功率转换为光电压信号，所述光电压信号的交流分量由所述锁相放大器9检测，所述光电压的直流分量由所述示波器10检测。通过锁相放大器9检测的光电压信号的交流分量和示波器10检测的光电压的直流分量，结合上述旋转后将光电压信号放大的结论，利用公式(12)可以求出旋转角

具体如下：

设锁相放大器9检测的光电压信号的交流分量电压信号大小U_A1，锁相放大器光电转换系数R₁。示波器10检测的光电压信号的直流分量电压信号大小U_D2，示波器光电转换系数R₂。理论上光电转换系数是由光电探测器8决定的，示波器10与锁相放大器9作为两个高阻抗电阻，分压是一致的，实际使用的仪器需要考虑其阻抗不一致带来的影响，可以通过实验标定两个光电转换系数R₁、R₂。

当α＝45°时，则所述旋转角为：

根据公式(13)，利用锁相放大器9检测的光电压信号的交流分量和示波器10检测的光电压信号的直流分量求出碱金属原子蒸气密度N为：

其中，m为电子质量，ε₀为真空介电常数，c为真空光速，e为电子电量，f为振子强度，l为碱金属原子气室5的长度，g是朗德因子，μ是玻尔磁子，B是磁感应强度，

为普朗克常数h与2π的比值，Γ为谱线宽度。

由上述推导可知，利用本发明方法只需要测量锁相放大器9测得的光电压信号的交流分量电压信号大小U_A1，光电转换系数R₁，示波器10测得的光电压信号的直流分量电压信号大小U_D2，光电转换系数R₂即可计算得到碱金属原子蒸气密度N。

本发明方法可应用于冷原子团制备时的碱金属原子蒸气密度检测和测量，常温常压及低压下碱金属原子蒸气的密度测量，所述低压是指至少比常压低2个数量级，激光光源1输出频率为碱金属共振频率的激光，信号发生器3产生的调制电压为第一线圈4和第二线圈6供电产生交变磁场，同时信号发生器3分出一路信号给锁相放大器9作为其参考信号，激光经过起偏器2变为线偏振光，线偏振光经过被磁化的碱金属原子气室5后其偏振态发生偏转，通过检偏器7后由光电探测器8检测并转化为光电压信号，锁相放大器9测得光电压信号的交流分量，示波器10测得光电压信号的直流分量，进而求得碱金属原子气室5内的碱金属原子蒸气密度。

本发明中所述的碱金属原子包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)，以测量铷原子蒸气密度实验为例，若采用传统荧光法、吸收法来测量铷原子蒸气密度，其蒸气密度理论测量极限分别为10²²m^-3量级与10¹⁶m^-3量级，且由于其信号强度与密度呈指数关系，测量范围有限；而采用本发明的基于法拉第效应和相干探测的碱金属蒸气密度测量方法，使用铷原子共振光(780nm)作为探测光，给并联的第一线圈4和第二线圈6同时施加峰-峰值为3V频率为30Hz的方波信号，最终测得10⁸m^-3到10¹⁰m^-3量级的铷原子蒸气密度，大大提高了测量极限。

Claims (3)

1.一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置，所述测量装置包括有：激光光源、起偏器、第一线圈、碱金属原子气室、第二线圈、检偏器、光电探测器、示波器；

所述激光光源依次连接起偏器、碱金属原子气室和检偏器，频率为碱金属原子共振频率的激光由激光光源发射后经过所述起偏器后变成线偏振光；

所述碱金属原子气室两端设置第一线圈与第二线圈；

碱金属原子气室内沿所述线偏振光传播方向产生交变磁场；

旋转偏振光经过检偏器后光功率发生变化，利用光电探测器对光功率发生变化的旋转偏振光的光功率进行探测并转化为光电压信号；

其特征在于：还包括有信号发生器和锁相放大器；

所述光电探测器有两个输出端，分别与所述锁相放大器和所述示波器的输入端相连；

所述光电压信号的交流分量由所述锁相放大器检测，所述光电压信号的直流分量由所述示波器检测；

通过信号发生器对第一线圈和第二线圈提供方波电压；

所述信号发生器有三个输出端，分别与所述第一线圈的一端、所述第二线圈一端以及所述锁相放大器输入端相连，所述第一线圈、所述第二线圈的另一端均接地；

根据锁相放大器检测的光电压信号的交流分量U_A1和示波器检测的光电压信号U_D2的直流分量求得所述碱金属原子蒸气密度N，且

其中，m为电子质量，ε₀为真空介电常数，c为真空光速，e为电子电量，f为振子强度，l为碱金属原子气室的长度，g是朗德因子，μ是玻尔磁子，B是磁感应强度，

为普朗克常数h与2π的比值，Γ为谱线宽度，U_A1为光电压信号的交流分量电压信号大小，R₁为锁相放大器光电转换系数，U_D2为光电压信号的直流分量电压信号大小，R₂为示波器光电转换系数。

2.如权利要求1所述的基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置，其特征在于：所述线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转形成旋转偏振光，所述旋转偏振光的旋转角为

其中，U_A1为光电压信号的交流分量电压信号大小，R₁为锁相放大器光电转换系数，U_D2为光电压信号的直流分量电压信号大小，R₂为示波器光电转换系数。

3.如权利要求1所述的基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置，其特征在于：碱金属原子包括锂、钠、钾、铷和铯。

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