CN111024258B - 一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置 - Google Patents

Abstract

一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，有利于为惯性以及磁场的测量装置灵敏度的提升提供技术支持，包括位于碱金属气室左侧方向的驱动激光器，在所述驱动激光器与所述碱金属气室之间设置有消偏振分光棱镜，所述碱金属气室的右侧方向设置有出射阵列式光电探测器，所述消偏振分光棱镜将所述驱动激光器发射的检测激光分成两束，其中一束经过所述碱金属气室的内部被测点到达所述出射阵列式光电探测器，另一束到达入射阵列式光电探测器，所述入射阵列式光电探测器得到所述被测点的入射光强信号值I_i，所述出射阵列式光电探测器得到所述被测点的出射光强信号值I_o，通过包含有I_i，I_o，以及所述被测点温度T的关系式解算得到所述被测点的温度值T。

Description

一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置

技术领域

本发明涉及碱金属气室热分布与热稳定测量技术，特别是一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，通过入射阵列式光电探测器与出射阵列式光电探测器这一双探测器组合能够获取作用于碱金属气室内部被测点的入射光强信号值I_i和出射光强信号值I_o，并根据光学原理解算得到各被测点温度值T，可用于原子自旋效应的惯性和磁场测量装置中碱金属气室的温度状态评估，有利于为惯性以及磁场的测量装置灵敏度的提升提供保障或技术支持。

背景技术

碱金属气室内部温度状态对于研究原子自旋下的行为有着重要的作用。现今基于原子自旋效应的传感器在灵敏度方面有极大的提升，以基于原子自旋效应的角速度/磁场传感器为代表，在国内外发展迅速，应用于超高灵敏的惯性以及磁场的测量装置。未来基于原子自旋效应的传感器可以应用于无人智能车、无人机、智能机器人、地磁勘探、磁异常探测以及生物磁测量等领域。碱金属气室是基于原子自旋效应惯性以及磁场的测量装置的敏感核心元件，碱金属气室性能的好坏决定了原子自旋效应惯性以及磁场的测量装置能够达到的灵敏度的极限。碱金属气室工作的温度决定了碱金属气室内部原子碰撞激烈程度等条件，从而决定了一些弛豫参数，弛豫参数在很大程度上决定了测量装置的灵敏度。因此，对碱金属气室内部温度的掌握及控制将为惯性以及磁场的测量装置灵敏度的提升提供保障。

本发明人了解到，对于碱金属气室温度的测量通常是利用热敏电阻对其外部环境或者外壁进行测量，无法准确把握碱金属气室内部温度状况，存在严重的测量误差。本发明人认为，如果通过设置双光电探测器组合直接获取作用于碱金属气室内部被测点的入射光强信号值I_i和出射光强信号值I_o，就能够利用光学原理解算得到各被测点温度值T，以评估碱金属气室内部的温度状态，从而有利于为惯性以及磁场的测量装置灵敏度的提升提供保障或技术支持。有鉴于此，本发明人完成了本发明。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，通过入射阵列式光电探测器与出射阵列式光电探测器这一双探测器组合能够获取作用于碱金属气室内部被测点的入射光强信号值I_i和出射光强信号值I_o，并根据光学原理解算得到各被测点温度值T，可用于原子自旋效应的惯性和磁场测量装置中碱金属气室的温度状态评估，有利于为惯性以及磁场的测量装置灵敏度的提升提供保障或技术支持。

本发明技术方案如下：

一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，包括位于碱金属气室左侧方向的驱动激光器，在所述驱动激光器与所述碱金属气室之间设置有消偏振分光棱镜，所述碱金属气室的右侧方向设置有出射阵列式光电探测器，所述消偏振分光棱镜将所述驱动激光器发射的检测激光分成两束，其中一束经过所述碱金属气室的内部被测点到达所述出射阵列式光电探测器，另一束到达入射阵列式光电探测器，所述入射阵列式光电探测器得到所述被测点的入射光强信号值I_i，所述出射阵列式光电探测器得到所述被测点的出射光强信号值I_o，通过包含有I_i，I_o，以及所述被测点温度T的关系式解算得到所述被测点的温度值T。

所述包含有I_i，I_o，以及所述被测点温度T的关系式如下：

其中，I_i为入射光强信号，I_o为出射光强信号，μ为气室玻璃光强透过率，L为气室长度，T为被测温度，c为光速，f为碱金属原子的谐振强度，r_e为碱金属原子的电子自旋旋磁比，t_d为碰撞时间，△＝ν-ν₀-δ，其中ν为驱动激光器发出激光频率，ν₀为碱金属自然共振频率，δ为频移，线宽γ＝γ_n+γ_c，其中γ_n为自然线宽，γ_c为碰撞引起的展宽，A和B为两个或两种参数，A和B根据碱金属的种类取不同的预设参数值。

所述入射阵列式光电探测器和所述出射阵列式光电探测器分别连接信号采集与处理器，所述信号采集与处理器根据I_i和I_o得到所述被测点的温度值T。

所述驱动激光器连接分光棱镜，所述分光棱镜连接扩束器，所述分光棱镜将所述驱动激光器发射的检测激光分成两束，其中一束依次经过扩束器，λ/2波片，以及偏振格兰棱镜传输至所述消偏振分光棱镜，另一束通过激光耦合器到达波长计。

所述扩束器将检测激光扩束成扩束光，所述扩束光经所述λ/2波片和所述偏振格兰棱镜后变为线偏振光，所述线偏振光被所述消偏振分光棱镜分成光强一致的两束光。

所述入射阵列式光电探测器和所述出射阵列式光电探测器均由同样的单点光电探测器等间距排列合成。

所述入射阵列式光电探测器的测量范围和所述出射阵列式光电探测器的测量范围均与扩束光横截面相匹配。

所述碱金属气室的外围设置有烤箱，所述烤箱用于将所述碱金属气室加热到一定温度，并使所述碱金属气室保持热稳定状态，以便所述出射阵列式光电探测器检测出出射光强信号值I_o，所述热稳定状态使得所述信号采集与处理器接收到的所述出射阵列式光电探测器各点信号处于稳定状态并被观察到。

所述驱动激光器发射的检测激光，其波长值与所述碱金属气室内所含有的碱金属所对应的吸收线值相匹配，并保持稳定。

所述碱金属气室内既包含碱金属原子又包含惰性或缓冲气体。

本发明的技术效果如下：本发明一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，通过双探测器与NPBS(Non-polarizing Beam splitter)消偏振分光棱镜的组合设置，能够利用光学原理测量玻璃气室内部温度，为基于原子自旋效应的惯性和磁场测量装置的灵敏度提供支持。本发明的优点在于：能够直观的观测出碱金属气室内部温度稳定的时间，并且能够实时测量出碱金属气室各个位置热分布的状态。装置测量系统构建简单，测量方法便捷。

附图说明

图1是实施本发明一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置结构示意图。

附图标记列示如下：1-驱动激光器；2-分光棱镜；3-扩束器；4-λ/2波片(二分之一波片，产生附加光程差或相位差为λ/2)；5-偏振格兰棱镜；6-NPBS(Non-polarizing Beamsplitter，消偏振分光棱镜)；7-碱金属气室；8-烤箱；9-出射阵列式光电探测器；10-激光耦合器；11-波长计；12-入射阵列式光电探测器；13-信号采集与处理器(或称数据采集与处理器)；14-检测激光；15-扩束光；I_i-入射光或入射光强信号或入射光强信号值；I_o-出射光或出射光强信号或出射光强信号值。

具体实施方式

下面结合附图(图1)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置结构示意图。如图1所示，一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，包括位于碱金属气室7左侧方向的驱动激光器1，在所述驱动激光器1与所述碱金属气室7之间设置有消偏振分光棱镜6(NPBS，Non-polarizing Beam splitter，消偏振分光棱镜)，所述碱金属气室7的右侧方向设置有出射阵列式光电探测器9，所述消偏振分光棱镜6将所述驱动激光器1发射的检测激光14分成两束，其中一束经过所述碱金属气室7的内部被测点到达所述出射阵列式光电探测器9，另一束到达入射阵列式光电探测器12，所述入射阵列式光电探测器12得到所述被测点的入射光强信号值I_i，所述出射阵列式光电探测器9得到所述被测点的出射光强信号值I_o，通过包含有I_i，I_o，以及所述被测点温度T的关系式解算得到所述被测点的温度值T。

所述包含有I_i，I_o，以及所述被测点温度T的关系式如下：

其中，I_i为入射光强信号，I_o为出射光强信号，μ为气室玻璃光强透过率，L为气室长度，T为被测温度，c为光速，f为碱金属原子的谐振强度，r_e为碱金属原子的电子自旋旋磁比，t_d为碰撞时间，△＝ν-ν₀-δ，其中ν为驱动激光器1发出激光频率，ν₀为碱金属自然共振频率，δ为频移，线宽γ＝γ_n+γ_c，其中γ_n为自然线宽，γ_c为碰撞引起的展宽，A和B为两个或两种参数，A和B根据碱金属的种类取不同的预设参数值。例如，碱金属气室7(采用透明玻璃)内部充有K单质和He气体，A取4.402，B取4530。将激光器1输出波长值设置到770nm附近，将碱金属气室7均匀加热到150℃，并保持稳定。所述入射阵列式光电探测器12和所述出射阵列式光电探测器9分别连接信号采集与处理器13，所述信号采集与处理器13根据I_i和I_o得到所述被测点的温度值T。所述驱动激光器1连接分光棱镜2，所述分光棱镜2连接扩束器3，所述分光棱镜2将所述驱动激光器1发射的检测激光14分成两束，其中一束依次经过扩束器3，λ/2波片4，以及偏振格兰棱镜5传输至所述消偏振分光棱镜6，另一束通过激光耦合器10到达波长计11。

所述扩束器3将检测激光14扩束成扩束光15，所述扩束光15经所述λ/2波片4和所述偏振格兰棱镜5后变为线偏振光，所述线偏振光被所述消偏振分光棱镜6分成光强一致的两束光。所述入射阵列式光电探测器12和所述出射阵列式光电探测器9均由同样的单点光电探测器等间距排列合成。所述入射阵列式光电探测器12的测量范围和所述出射阵列式光电探测器9的测量范围均与扩束光15横截面相匹配。所述碱金属气室7的外围设置有烤箱8，所述烤箱8用于将所述碱金属气室7加热到一定温度，并使所述碱金属气室7保持热稳定状态，以便所述出射阵列式光电探测器9检测出出射光强信号值I_o，所述热稳定状态使得所述信号采集与处理器13接收到的所述出射阵列式光电探测器9各点信号处于稳定状态并被观察到。所述驱动激光器1发射的检测激光14，其波长值与所述碱金属气室7内所含有的碱金属所对应的吸收线值相匹配，并保持稳定。所述碱金属气室7内既包含碱金属原子又包含惰性或缓冲气体。

一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，包括激光系统，敏感单元系统，信号采集系统；激光系统的功能是提供测量所需的线偏振检测光，激光系统包括驱动激光器1、分光棱镜2、扩束器3、λ/2波片4、偏振格兰棱镜5、激光耦合器10、波长计11，其中驱动激光器1产生检测所需波长的检测激光14通过分光棱镜2分成两束，一束经激光耦合器10进入波长计11实时检测激光波长，另一束通过扩束器3扩束后经λ/2波片4和偏振格兰棱镜5变为线偏振光；敏感单元系统包括碱金属气室7(采用透明玻璃)、烤箱8，其中玻璃碱金属气室7含有碱金属以及惰性或缓冲气体、烤箱8对玻璃碱金属气室7进行加热；信号采集系统包括NPBS(Non-polarizing Beam splitter，消偏振分光棱镜)6、两个阵列式光电探测器(例如出射阵列式光电探测器9，和入射阵列式光电探测器12)、数据处理器(例如，信号采集与处理器13)，其中NPBS将线偏振光等分为两束光强一致的光，一束进入入射阵列式光电探测器12检测输入光强，另一束进入烤箱内被加热的碱金属气室7，被出射阵列式光电探测器9检测输出光强，最终通过信号采集与处理器13得到气室热稳定状态，并解算气室各个位置温度。阵列式光电探测器是由同样的单点光电探测器等间距排列合成，测量范围包含整个扩束后的检测光横截面。

该装置测量方法为：首先将充有缓冲气体或惰性气体的碱金属气室均匀加热至设定温度；其次，以激光系统被扩束的检测光照射整个气室；最后，利用信号采集系统测得检测光入射和出射碱金属气室的光强并且测量出射光强的稳定时间，得到碱金属气室内部热稳定时间。其实现步骤如下：(1)将玻璃碱金属气室放置于烤箱中，设定固定温度，开启加热系统对气室进行均匀加热，并达到设定值。(2)开启驱动激光器，观察波长计的示数，将激光器输出波长值设置到碱金属气室内所含有的碱金属所对应的吸收线值附近，保持稳定。(3)通过数据采集与处理器观察阵列式光电探测器各点信号稳定状态，当阵列式光电探测器各点信号保持稳定时，玻璃碱金属气室内的达到热稳定状态。由烤箱温度到达设定值时刻到阵列式光电探测器各点信号保持稳定的时间，即为碱金属气室热稳定的时间。

碱金属气室内部热分布测量。其实现步骤如下：(1)将玻璃碱金属气室放置于烤箱中，设定固定温度，开启加热系统对气室进行均匀加热，并达到设定值。(2)开启驱动激光器，观察波长计的示数，将激光器输出波长值设置到碱金属气室内所含有的碱金属所对应的吸收线值附近，保持稳定。(3)通过数据采集与处理器观察阵列式光电探测器各点信号到达稳定状态。(4)利用数据采集与处理器的得到两个阵列式光电探测器各被测点对应入射和出射的光强信号值，通过解算的得到各点温度值，方法为：

其中，I_i为入射光强信号，I_o为出射光强信号，μ为气室玻璃光强透过率，L为气室长度，T为被测温度，c为光速，f为碱金属原子的谐振强度，r_e为碱金属原子的电子自旋旋磁比，t_d为碰撞时间，△＝ν-ν₀-δ，其中ν为驱动激光器发出激光频率，ν₀为碱金属自然共振频率，δ为频移，线宽γ＝γ_n+γ_c，其中γ_n为自然线宽，γ_c为碰撞引起的展宽，A和B两种参数根据碱金属的种类取不同的值。

本发明测量碱金属气室热稳定具体实现方法如下：

(1)将待测的充有K单质和He气体的玻璃碱金属气室7放置于烤箱8中，设定固定温度150℃，开启加热系统对气室进行均匀加热，并达到设定值。

(2)开启驱动激光器1，观察波长计11的示数，将驱动激光器1输出波长值设置到770nm附近，保持稳定。

(3)通过数据采集与处理器13观察出射阵列式光电探测器9各点信号稳定状态，当出射阵列式光电探测器9各点信号保持稳定时，碱金属气室7内部达到热稳定状态。由烤箱温度到达150℃到出射阵列式光电探测器9各点信号保持稳定的时间为该条件下碱金属气室热稳定的时间。

本发明测量碱金属气室各位置温度具体实现方法如下：

(1)将待测的充有K单质和He气体的玻璃碱金属气室7放置于烤箱8中，设定固定温度150℃，开启加热系统对气室进行均匀加热，并达到设定值。

(2)开启驱动激光器1，观察波长计11的示数，将驱动激光器1输出波长值设置到770nm附近，保持稳定。

(3)通过数据采集与处理器13观察出射阵列式光电探测器9各点信号到达稳定状态。

(4)利用数据采集与处理器13的得到出射阵列式光电探测器9和入射阵列式光电探测器12各被测点对应入射和出射的光强信号值，通过解算的得到各点温度值，方法为：

其中，I_i为入射光强信号值，I_o为出射光强信号值，μ为气室玻璃光强透过率，L为气室长度，T为被测温度，c为光速，f为K原子的谐振强度，r_e为K原子的电子自旋旋磁比，t_d为碰撞时间，△＝ν-ν₀-δ，其中ν为驱动激光器发出激光频率，ν₀为K原子自然共振频率，δ为K原子在He气下的频移值，线宽γ＝γ_n+γ_c，其中γn为自然线宽，γ_c为K原子在He气中碰撞引起的展宽值，A取4.402，B取4530。

本发明说明书中未作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。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (9)

1.一种碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，包括位于碱金属气室左侧方向的驱动激光器，在所述驱动激光器与所述碱金属气室之间设置有消偏振分光棱镜，所述碱金属气室的右侧方向设置有出射阵列式光电探测器，所述消偏振分光棱镜将所述驱动激光器发射的检测激光分成两束，其中一束经过所述碱金属气室的内部被测点到达所述出射阵列式光电探测器，另一束到达入射阵列式光电探测器，所述入射阵列式光电探测器得到所述被测点的入射光强信号值I_i，所述出射阵列式光电探测器得到所述被测点的出射光强信号值I_o，通过包含有I_i，I_o，以及所述被测点温度T的关系式解算得到所述被测点的温度值T；

所述包含有I_i，I_o，以及所述被测点温度T的关系式如下：

其中，I_i为入射光强信号，I_o为出射光强信号，μ为气室玻璃光强透过率，L为气室长度，T为被测温度，c为光速，f为碱金属原子的谐振强度，r_e为碱金属原子的电子自旋旋磁比，t_d为碰撞时间，Δ＝ν-ν₀-δ，其中ν为驱动激光器发出激光频率，ν₀为碱金属自然共振频率，δ为频移，线宽γ＝γ_n+γ_c，其中γ_n为自然线宽，γ_c为碰撞引起的展宽，A和B为两个或两种参数，A和B根据碱金属的种类取不同的预设参数值。

2.根据权利要求1所述的碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，所述入射阵列式光电探测器和所述出射阵列式光电探测器分别连接信号采集与处理器，所述信号采集与处理器根据I_i和I_o得到所述被测点的温度值T。

3.根据权利要求1所述的碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，所述驱动激光器连接分光棱镜，所述分光棱镜连接扩束器，所述分光棱镜将所述驱动激光器发射的检测激光分成两束，其中一束依次经过扩束器，λ/2波片，以及偏振格兰棱镜传输至所述消偏振分光棱镜，另一束通过激光耦合器到达波长计。

4.根据权利要求3所述的碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，所述扩束器将检测激光扩束成扩束光，所述扩束光经所述λ/2波片和所述偏振格兰棱镜后变为线偏振光，所述线偏振光被所述消偏振分光棱镜分成光强一致的两束光。

5.根据权利要求1所述的碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，所述入射阵列式光电探测器和所述出射阵列式光电探测器均由同样的单点光电探测器等间距排列合成。

6.根据权利要求4所述的碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，所述入射阵列式光电探测器的测量范围和所述出射阵列式光电探测器的测量范围均与扩束光横截面相匹配。

7.根据权利要求2所述的碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，所述碱金属气室的外围设置有烤箱，所述烤箱用于将所述碱金属气室加热到一定温度，并使所述碱金属气室保持热稳定状态，以便所述出射阵列式光电探测器检测出出射光强信号值I_o，所述热稳定状态使得所述信号采集与处理器接收到的所述出射阵列式光电探测器各点信号处于稳定状态并被观察到。

8.根据权利要求1所述的碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，所述驱动激光器发射的检测激光，其波长值与所述碱金属气室内所含有的碱金属所对应的吸收线值相匹配，并保持稳定。

9.根据权利要求1所述的碱金属气室内部热分布与热稳定测量装置，其特征在于，所述碱金属气室内既包含碱金属原子又包含惰性或缓冲气体。

Images