CN111929199A - 玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置和方法，通过在起偏器与测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器，能够使得来自所述起偏器的线偏振光在所述法拉第调制器中因法拉第效应而产生其偏振面的法拉第旋转角，进而经过所述测量敏感单元模块后产生其偏振面的法拉第偏转角并通过光电探测器与锁相放大器的组合解调出所述法拉第偏转角，利用法拉第偏转角与碱金属蒸气原子密度之间的关系式解算出所述测量敏感单元模块中的碱金属蒸气原子密度，可用于原子传感装置中碱金属蒸汽密度评估。特别地，本发明在测量高密度的碱金属蒸气中有更高的准确性。

Description

玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及碱金属蒸气原子密度测量技术，特别是一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置和方法，通过在起偏器与测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器，能够使得来自所述起偏器的线偏振光在所述法拉第调制器中因法拉第效应而产生其偏振面的法拉第旋转角，进而经过所述测量敏感单元模块后产生其偏振面的法拉第偏转角并通过光电探测器与锁相放大器的组合解调出所述法拉第偏转角，利用法拉第偏转角与碱金属蒸气原子密度之间的关系式解算出所述测量敏感单元模块中的碱金属蒸气原子密度，可用于原子传感装置中碱金属蒸汽密度评估。特别地，本发明在测量高密度的碱金属蒸气中有更高的准确性。

背景技术

原子蒸气密度对于解释原子碰撞实验、原子物理特性的测量实验以及原子的光抽运等应用具有重要的意义。特别是碱金属原子，由于其最外层只有一个电子的简单结构，使其成为物理乃至光学的重点研究对象。传统的碱金属蒸气密度测量方法是测量碱金属蒸气的温度，继而根据经验密度公式获得，简单但误差很大。根据非展宽的吸收谱线积分法测量碱金属蒸气的原子密度，由于低温下多普勒展宽系数较小，曲线线宽很窄，对激光器的性能要求高，实验误差较大。本发明人了解到，对于碱金属气室内碱金属蒸气原子密度的测量，现有装置均存在一定的局限性。有鉴于此，本发明人利用磁致旋光效应原理以及法拉第调制器准确解调微弱光电信号的方法设计了一套碱金属蒸气原子密度测量装置和方法。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置和方法，通过在起偏器与测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器，能够使得来自所述起偏器的线偏振光在所述法拉第调制器中因法拉第效应而产生其偏振面的法拉第旋转角，进而经过所述测量敏感单元模块后产生其偏振面的法拉第偏转角并通过光电探测器与锁相放大器的组合解调出所述法拉第偏转角，利用法拉第偏转角与碱金属蒸气原子密度之间的关系式解算出所述测量敏感单元模块中的碱金属蒸气原子密度，可用于原子传感装置中碱金属蒸汽密度评估。特别地，本发明在测量高密度的碱金属蒸气中有更高的准确性。

本发明的技术方案如下：

一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置，包括起偏器和测量敏感单元模块，其特征在于，在所述起偏器与所述测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器。

所述起偏器为偏振格兰棱镜，所述偏振格兰棱镜连接稳光强系统，所述稳光强系统通过所述法拉第调制器连接所述测量敏感单元模块，所述测量敏感单元模块包括玻璃碱金属气室，所述玻璃碱金属气室位于管型磁钢内，所述管型磁钢位于无磁烤箱内。

所述测量敏感单元模块通过检偏器连接光电探测器，所述光电探测器和所述法拉第调制器分别连接锁相放大器，所述锁相放大器连接信号采集与处理器。

所述检偏器为与所述起偏器角度正交的偏振格兰棱镜，所述起偏器依次通过λ/2波片和分光棱镜连接驱动激光器，所述分光棱镜将来自所述驱动激光器的激光束分为两束，其中一束进入所述λ/2波片，另一束通过激光耦合器进入波长计。

所述管型磁钢向所述玻璃碱金属气室提供均匀稳定的超过1T的磁场，所述玻璃碱金属气室内既包含碱金属原子又包含惰性或缓冲气体，所述驱动激光器发射的检测激光，其波长值与所述玻璃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。

一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量方法，其特征在于，通过在起偏器与测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器，能够使得来自所述起偏器的线偏振光在所述法拉第调制器中因法拉第效应而产生其偏振面的法拉第旋转角γ，进而经过所述测量敏感单元模块后产生其偏振面的法拉第偏转角θ并通过光电探测器与锁相放大器的组合解调出所述法拉第偏转角θ，利用法拉第偏转角θ与碱金属蒸气原子密度n之间的关系式解算出所述测量敏感单元模块中的碱金属蒸气原子密度n。

采用频率为ω正弦波交变电流驱动所述法拉第调制器，所述法拉第旋转角γ按照下式计算：γ＝γ₀sinωt，式中γ₀为法拉第旋转角γ的幅度；利用锁相放大器对信号进行解调，取光电探测器输出信号I中频率为2ω的幅值，提取输出信号I中的二倍频幅值

可得出γ₀的值；提取光电探测器输出信号I中频率为ω的幅值，提取输出信号I中的一倍频幅值I₁＝2I₀θγ₀，由此得到法拉第偏转角θ的值。

所述法拉第偏转角θ与碱金属蒸气原子密度n之间的关系式如下：

式中，l为玻璃碱金属气室长度，r_e为电子半径，μ_B为玻尔磁子，B为磁场强度，Δ_J为频率的失谐，J＝1/2或3/2，Δ_J＝v-v_J表示原子从nS1/2→nPJ跃迁的频率，h为普朗克常数，c为光速。

本发明的技术效果如下：本发明一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置和方法，通过利用法拉第调制器调制解调，获取穿过均匀磁场中碱金属蒸汽的线偏振光偏振面的旋转角度，并根据磁致旋光效应原理解算出碱金属蒸汽密度，可用于原子传感装置中碱金属蒸汽密度评估。特别地，本发明在测量高密度的碱金属蒸气中有更高的准确性。

本发明的驱动激光器通过分光棱镜一束经光纤输入波长计，监测激光波长。另一束进入实验系统，通过λ/2波片改变激光光强大小，然后通过起偏器格兰棱镜将激光改变为线偏振光进入内部放置磁钢和碱金属气室的密闭烤箱。通过烤箱的激光进入光轴垂直于起偏器的格兰棱镜检偏，然后输出信号由光电探测器接收，并将光信号转换为电压信号。由于该系统信号检测模块对光强稳定性有要求，所以在起偏器后加入稳功率系统，稳定线偏振光的光强。经由稳频系统后输出的激光进入到法拉第调制器中。法拉第调制器与锁相放大器共同驱动，电压幅值为300V，信号频率为4.291kHz。经过法拉第调制器的激光入射烤箱，并由光轴垂直于起偏器的格兰棱镜检偏，最终被光电探测器所接收。光电探测器的输出信号接入锁相放大器中进行信号解调。对锁相放大器的解调信号进行采集。通过解调出的线偏振光的偏振面旋转角度解算出碱金属蒸汽的密度。本发明的优点在于：本发明装置对于高密度的碱金属蒸汽的密度测量上能够更加准确地获得碱金属蒸汽的密度。

附图说明

图1是实施本发明一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度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-λ/2波片(二分之一波片，产生附加光程差或相位差为λ/2)；4-起偏器(偏振格兰棱镜)；5-稳光强系统；6-法拉第调制器；7-无磁烤箱；8-管型磁钢；9-玻璃碱金属气室；10-检偏器(与起偏器角度正交的偏振格兰棱镜)；11-光电探测器；12-激光耦合器；13-波长计；14-锁相放大器；15-信号采集与处理器(或称数据采集与处理器)。

具体实施方式

下面结合附图(图1)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置结构示意图。参考图1所示，一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置，包括起偏器4和测量敏感单元模块，在所述起偏器4与所述测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器6。所述起偏器4为偏振格兰棱镜，所述偏振格兰棱镜连接稳光强系统5，所述稳光强系统5通过所述法拉第调制器6连接所述测量敏感单元模块，所述测量敏感单元模块包括玻璃碱金属气室9，所述玻璃碱金属气室9位于管型磁钢8内，所述管型磁钢8位于无磁烤箱7内。所述测量敏感单元模块通过检偏器10连接光电探测器11，所述光电探测器11和所述法拉第调制器6分别连接锁相放大器14，所述锁相放大器14连接信号采集与处理器15。所述检偏器10为与所述起偏器4角度正交的偏振格兰棱镜，所述起偏器4依次通过λ/2波片3和分光棱镜2连接驱动激光器1，所述分光棱镜2将来自所述驱动激光器1的激光束分为两束，其中一束进入所述λ/2波片3，另一束通过激光耦合器12进入波长计13。所述管型磁钢8向所述玻璃碱金属气室9提供均匀稳定的超过1T的磁场，所述玻璃碱金属气室9内既包含碱金属原子又包含惰性或缓冲气体，所述驱动激光器1发射的检测激光，其波长值与所述玻璃碱金属气室9内所含有的碱金属所对应的吸收线值相匹配，并保持稳定。

一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量方法，通过在起偏器4与测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器6，能够使得来自所述起偏器4的线偏振光在所述法拉第调制器6中因法拉第效应而产生其偏振面的法拉第旋转角γ，进而经过所述测量敏感单元模块后产生其偏振面的法拉第偏转角θ并通过光电探测器与锁相放大器的组合解调出所述法拉第偏转角θ，利用法拉第偏转角θ与碱金属蒸气原子密度n之间的关系式解算出所述测量敏感单元模块中的碱金属蒸气原子密度n。采用频率为ω正弦波交变电流驱动所述法拉第调制器，所述法拉第旋转角γ按照下式计算：γ＝γ₀sinωt，式中γ₀为法拉第旋转角γ的幅度；利用锁相放大器对信号进行解调，取光电探测器输出信号I中频率为2ω的幅值，提取输出信号I中的二倍频幅值

可得出γ₀的值；提取光电探测器输出信号I中频率为ω的幅值，提取输出信号I中的一倍频幅值I₁＝2I₀θγ₀，由此得到法拉第偏转角θ的值。所述法拉第偏转角θ与碱金属蒸气原子密度n之间的关系式如下：

式中，l为玻璃碱金属气室长度，r_e为电子半径，μ_B为玻尔磁子，B为磁场强度，Δ_J为频率的失谐，J＝1/2或3/2，Δ_J＝v-v_J表示原子从nS1/2→nPJ跃迁的频率，h为普朗克常数，c为光速。

本发明测量碱金属蒸汽原子密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放置于烤箱中，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，观察波长计的示数，将激光器输出波长值设置到770nm附近，保持稳定。

(3)开启法拉第调制器与锁相放大器，并设置电压幅值为300V，信号频率为4.291kHz。

(4)以稳定功率的激光照射气室并扫频。

(5)通过锁相放大器和信号采集与处理器，采集一倍频与二倍频信号。

(6)利用信号采集与处理器采集到的一倍频与二倍频信号的到线偏振光的偏振面旋转角度，方法为取光强信号I中频率为2ω的幅值，提取信号中的二倍频幅值

得出γ₀的具体值，再信号I中频率为ω的幅值，提取信号中的一倍频幅值I₁＝2I₀θγ₀，由此得到偏振光旋转角度θ的值。

(7)根据偏振光旋转角度θ与碱金属蒸汽原子密度的关系的到碱金属蒸汽原子密度，方法如下：

其中，n为碱金属蒸汽原子密度，l为气室长度，r_e为电子半径，μ_B为玻尔磁子,B为磁场强度，Δ_J为频率的失谐，Δ_J＝v-v_J表示原子从nS1/2→nPJ跃迁的频率，h为普朗克常数，c为光速，θ为法拉第偏转角。

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 (8)

1.一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置，包括起偏器和测量敏感单元模块，其特征在于，在所述起偏器与所述测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器。

2.根据权利要求1所述的玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置，其特征在于，所述起偏器为偏振格兰棱镜，所述偏振格兰棱镜连接稳光强系统，所述稳光强系统通过所述法拉第调制器连接所述测量敏感单元模块，所述测量敏感单元模块包括玻璃碱金属气室，所述玻璃碱金属气室位于管型磁钢内，所述管型磁钢位于无磁烤箱内。

3.根据权利要求2所述的玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置，其特征在于，所述测量敏感单元模块通过检偏器连接光电探测器，所述光电探测器和所述法拉第调制器分别连接锁相放大器，所述锁相放大器连接信号采集与处理器。

4.根据权利要求3所述的玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置，其特征在于，所述检偏器为与所述起偏器角度正交的偏振格兰棱镜，所述起偏器依次通过λ/2波片和分光棱镜连接驱动激光器，所述分光棱镜将来自所述驱动激光器的激光束分为两束，其中一束进入所述λ/2波片，另一束通过激光耦合器进入波长计。

5.根据权利要求4所述的玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量装置，其特征在于，所述管型磁钢向所述玻璃碱金属气室提供均匀稳定的超过1T的磁场，所述玻璃碱金属气室内既包含碱金属原子又包含惰性或缓冲气体，所述驱动激光器发射的检测激光，其波长值与所述玻璃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。

6.一种玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量方法，其特征在于，通过在起偏器与测量敏感单元模块之间设置法拉第调制器，能够使得来自所述起偏器的线偏振光在所述法拉第调制器中因法拉第效应而产生其偏振面的法拉第旋转角γ，进而经过所述测量敏感单元模块后产生其偏振面的法拉第偏转角θ并通过光电探测器与锁相放大器的组合解调出所述法拉第偏转角θ，利用法拉第偏转角θ与碱金属蒸气原子密度n之间的关系式解算出所述测量敏感单元模块中的碱金属蒸气原子密度n。

7.根据权利要求6所述的玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量方法，其特征在于，采用频率为ω正弦波交变电流驱动所述法拉第调制器，所述法拉第旋转角γ按照下式计算：γ＝γ₀sinωt，式中γ₀为法拉第旋转角γ的幅度；利用锁相放大器对信号进行解调，取光电探测器输出信号I中频率为2ω的幅值，提取输出信号I中的二倍频幅值

可得出γ₀的值；提取光电探测器输出信号I中频率为ω的幅值，提取输出信号I中的一倍频幅值I₁＝2I₀θγ₀，由此得到法拉第偏转角θ的值。

8.根据权利要求7所述的玻璃碱金属气室内部碱金属蒸气原子密度测量方法，其特征在于，所述法拉第偏转角θ与碱金属蒸气原子密度n之间的关系式如下：

式中，l为玻璃碱金属气室长度，r_e为电子半径，μ_B为玻尔磁子，B为磁场强度，Δ_J为频率的失谐，J＝1/2或3/2，Δ_J＝v-v_J表示原子从nS1/2→nPJ跃迁的频率，h为普朗克常数，c为光速。

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