CN112945414A - 一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统和方法，通过控制两台分别作为检测光和泵浦光的激光器，使饱和吸收光谱中的交叉吸收峰移位，通过交叉吸收峰移动过程中的强度变化测量气室温度，无需引入测量磁场，且物理模型相对简单，简化了运算程序。

Description

一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统和方法
技术领域
本发明涉及基于光谱学的原子气室测温技术，特别是一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统和方法，通过控制两台分别作为检测光和泵浦光的激光器，使饱和吸收光谱中的交叉吸收峰移位，通过交叉吸收峰移动过程中的强度变化测量气室温度，无需引入测量磁场，且物理模型相对简单，简化了运算程序。
背景技术
原子气室作为量子精密测量的核心敏感器件，广泛应用于原子钟、原子磁力仪和核磁共振陀螺等精密仪器中。原子气室通常需要在高温下工作，气室的温度对于气室的原子密度、饱和蒸气压、原子自旋交换碰撞弛豫率都有很大影响，因此精确测量气室温度具有十分重要的意义。传统的热敏电阻或交流电桥测温本质上都是接触式测量气室外壁的温度，无法直接得到气室内部的温度，考虑到气体的低热导率，这种测温方式可能会造成很大误差；另外，量子精密测量对环境磁场有较高要求，通常需要进行磁屏蔽，而热敏电阻的测温电路会不可避免的引入磁场，造成一定影响。因此，光谱测温方式在这个应用场景下有着不可替代的优势。光谱测温的原理是利用激光通过气体时的吸收谱强弱来测量气体的温度，具有灵敏度高、选择性强、非侵入无污染，响应速度快，实时性强等优点。现有的光谱测温方式都是通过测量原子或分子吸收光谱的多普勒展宽完成，但由于碱金属原子多个精细能级的交叉等因素的影响，使得建立谱线的物理模型十分困难，难以用此方法对气体进行实时精确的测量。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统和方法，通过控制两台分别作为检测光和泵浦光的激光器，使饱和吸收光谱中的交叉吸收峰移位，通过交叉吸收峰移动过程中的强度变化测量气室温度，无需引入测量磁场，且物理模型相对简单，简化了运算程序。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，包括设置在待测温原子气室左侧的第一半透半反镜片和设置在所述待测温原子气室右侧的第一反射镜，所述第一反射镜通过第二偏振分光棱镜分别连接示波器和泵浦光激光器，所述第一半透半反镜片通过第一偏振分光棱镜连接检测光激光器，所述第一半透半反镜片通过光谱对照气室连接所述示波器，所述示波器连接计算机。
所述泵浦光激光器依次通过第二隔离器和第二半波片连接所述第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜与所述示波器之间设置有第一光电探测器。
所述检测光激光器依次通过第一隔离器和第一半波片连接所述第一偏振分光棱镜。
所述光谱对照气室的左侧设置有第二半透半反镜片，所述光谱对照气室的右侧设置有分光窗口，所述分光窗口通过第二反射镜连接所述第二半透半反镜片，所述第二半透半反镜片与所述示波器之间设置有第二光电探测器。
所述待测温原子气室位于加热筒内。
所述检测光激光器和所述泵浦光激光器均为半导体激光器，所述半导体激光器为DFB激光器。
所述分光窗口为不镀膜的玻璃窗口。
所述检测光激光器和所述泵浦光激光器分别独立调谐而导致检测光频率与饱和吸收的泵浦光频率不相等，使饱和吸收光谱中的交叉吸收峰移位，通过交叉吸收峰移动过程中的强度变化得出原子气室温度。
一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，调节泵浦光与检测光的两个激光光源，在示波器上看到待测温原子气室中的原子能级跃迁的精细能级谱线；
步骤B，调节泵浦光，使交叉吸收峰在光谱上移动，遍历光谱的多普勒展宽范围，用示波器记录并保存下移动过程中多个位置光谱数据；
步骤C，差分步骤B中饱和吸收光谱与纯吸收光谱，得到消多普勒光强信号；
步骤D，提取消多普勒信号中饱和吸收峰的信息，选择其中信号强度较大的交叉吸收峰作为观察对象，得到这个交叉吸收峰在不同位置的光强；
步骤E，采用高斯拟合所得到的峰值强度信息，从拟合系数中计算此时的温度；
步骤F，重复步骤B到步骤E得到多组数据取平均值，通过交叉吸收峰移动时强度变化来计算温度信息。
所述步骤A中待测温原子气室中的原子为铷85Rb原子，所述能级跃迁为F＝2→F’，其中F为能级，F’为跃迁后的能级。
本发明的技术效果如下：本发明一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统和方法，光路包含半导体激光器，隔离器，半波片，偏振分光棱镜(PBS)，加热筒，反射镜，光电探测器(PD)，气室，半透半反镜片，窗口，示波器和计算机，通过控制两台分别作为检测光和泵浦光的激光器，使饱和吸收光谱中的交叉吸收峰移位，通过交叉吸收峰移动过程中的强度变化测量气室温度，无需引入测量磁场，且物理模型相对简单，简化了运算程序。
附图说明
图1是实施本发明一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统结构示意图。
图2是图1中示波器显示的交叉吸收峰移动示意图。图2中CO(1,3)是指能级1和能级3之间的交叉吸收峰，CO(2,3)是指能级2和能级3之间的交叉吸收峰。图2中横坐标为光谱频率，纵坐标为光强。图2中底边曲线表示多普勒盆底。
图3是拟合不同位置交叉吸收峰测温的数据处理示例图。图3中的横坐标为速度(Velocity，速度米/秒：m/s)，横坐标轴上标记数有-200，-100，0，100，200，300。纵坐标为光强的归一化值，纵坐标轴上标记数有0.2，0.4，0.6，0.8，1，1.2。311.1K是指方形点拟合出的曲线(较粗)所对应的气室温度值，301.3K是指圆形点拟合出的曲线(较细)所对应的气室温度值。图3中的数据处理在图1中的计算机中进行。
附图标记列示如下：1-检测光激光器(例如，DFB激光器即分布式反馈激光器，Distributed Feedback Laser)；2-第一隔离器；3-第一半波片；4-第一偏振分光棱镜(PBS)；5-加热筒；6-第一反射镜；7-第二偏振分光棱镜(PBS)；8-第二半波片；9-第二隔离器；10-泵浦光激光器(例如，DFB激光器即分布式反馈激光器，Distributed FeedbackLaser)；11-第一光电探测器(PD1)；12-待测温原子气室或第一气室(例如，铷原子气室)；13-第一半透半反镜片；14-分光窗口；15-第二反射镜；16-光谱对照气室或第二气室(例如，铷原子气室)；17-第二半透半反镜片；18-第二光电探测器(PD2)；19-示波器；20-计算机。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图3)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统结构示意图。图2是图1中示波器显示的交叉吸收峰移动示意图。图3是拟合不同位置交叉吸收峰测温的数据处理示例图。参考图1至图3所示，一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，包括设置在待测温原子气室12左侧的第一半透半反镜片13和设置在所述待测温原子气室12右侧的第一反射镜6，所述第一反射镜6通过第二偏振分光棱镜7分别连接示波器19和泵浦光激光器10，所述第一半透半反镜片13通过第一偏振分光棱镜4连接检测光激光器1，所述第一半透半反镜片13通过光谱对照气室16连接所述示波器19，所述示波器19连接计算机20。所述泵浦光激光器10依次通过第二隔离器9和第二半波片8连接所述第二偏振分光棱镜7，所述第二偏振分光棱镜7与所述示波器19之间设置有第一光电探测器11。所述检测光激光器1依次通过第一隔离器2和第一半波片3连接所述第一偏振分光棱镜4。所述光谱对照气室16的左侧设置有第二半透半反镜片17，所述光谱对照气室16的右侧设置有分光窗口14，所述分光窗口14通过第二反射镜15连接所述第二半透半反镜片17，所述第二半透半反镜片17与所述示波器19之间设置有第二光电探测器18。所述待测温原子气室12位于加热筒5内。所述检测光激光器1和所述泵浦光激光器10均为半导体激光器，所述半导体激光器为DFB激光器。所述分光窗口14为不镀膜的玻璃窗口。所述检测光激光器1和所述泵浦光激光器10分别独立调谐而导致检测光频率与饱和吸收的泵浦光频率不相等，使饱和吸收光谱中的交叉吸收峰移位，通过交叉吸收峰移动过程中的强度变化得出原子气室温度。
一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温方法，包括以下步骤：步骤A，调节泵浦光与检测光的两个激光光源，在示波器上看到待测温原子气室中的原子能级跃迁的精细能级谱线；步骤B，调节泵浦光，使交叉吸收峰在光谱上移动，遍历光谱的多普勒展宽范围，用示波器记录并保存下移动过程中多个位置光谱数据；步骤C，差分步骤B中饱和吸收光谱与纯吸收光谱，得到消多普勒光强信号；步骤D，提取消多普勒信号中饱和吸收峰的信息，选择其中信号强度较大的交叉吸收峰作为观察对象，得到这个交叉吸收峰在不同位置的光强；步骤E，采用高斯拟合所得到的峰值强度信息，从拟合系数中计算此时的温度；步骤F，重复步骤B到步骤E得到多组数据取平均值，通过交叉吸收峰移动时强度变化来计算温度信息。所述步骤A中待测温原子气室中的原子为铷85Rb原子，所述能级跃迁为F＝2→F’，其中F为能级，F’为跃迁后的能级。
本发明要克服现有气室测温技术的不足，提出一种新型非接触、高响应速度的原子气室测温技术，可以直接测量气室内部温度，不引入测量磁场，且物理模型相对简单，简化了运算程序。本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温技术，如图1所示，这种方法使用的光路包含第一半导体激光器1，第一隔离器2，第一半波片3，第一偏振分光棱镜(PBS)4，加热桶5，第一反射镜6，第二偏振分光棱镜(PBS)7，第二半波片8，第二隔离器9，第二半导体激光器10，第一光电探测器(PD)11，第一气室12，第一半透半反镜片13，窗口14，第二反射镜15，第二气室16，第二半透半反镜片17，第二光电探测器(PD)18，示波器19，计算机20。
所述第一半导体激光器1、第二半导体激光器10均为780nm的二极管可调谐激光器，可以覆盖铷原子D2能级所有超精细谱线。
所述的第一半波片3、第二半波片8变分光比。
所述的第一偏振分光棱镜(PBS)4、第二偏振分光棱镜(PBS)7进行分光。
所述加热桶温控精度为0.1K左右。
所述的第一光电探测器(PD)11、第二光电探测器(PD)18将光信号转换成电信号。
所述第一气室12、第二气室16为圆柱形铷原子气室，横截面直径约2cm，长度约4cm。
所述的示波器19对光谱信号进行采集。
紧邻激光器1的是光隔离器2，其作用是实现光的正向传输，防止激光被镜片反射回激光器中，造成功率或频率的波动。隔离器2后方分别为半波片3和偏振分光棱镜(PBS)4，可以将激光分为两束光强可调、偏振方向互相垂直的偏振光，旋转半波片3，即可使两束光的光强反向变化。由于偏振分光棱镜的反射光比透射光的反射率更高，因此选用反射光进入后续的饱和吸收光路。用一片半透半反镜片13将偏振分光棱镜的反射光分为两束，其中一束射入虚线框的激光进行单独的饱和吸收作为对照组，另一束作为检测光射入加热筒中的气室。虚线框内为一个单独的饱和吸收光路，由不镀膜的玻璃窗口14进行分光，较弱的反射光作为检测光直接进入气室，较强的透射光经由反射镜15和半透半反镜片17反射后，作为泵浦光与检测光反向进入气室16，两束光需严格重合，光电探测器(PD)18置于半透半反镜片17后侧，用于接收检测光，并在示波器19中显示。用作完成交叉吸收峰移动的光谱的铷原子气室12，置于一个加热筒5中，作为泵浦光和检测光的两束激光经反射镜6抬高光路，然后在气室12内重合。由光路的可逆性，检测光会经由偏振分光棱镜反射进入光电探测器(PD)11中，在示波器19中显示光谱。
在这个光路图的设计中，两个分部作为泵浦光和检测光的激光器可以分别独立调谐，即气室12中发生的饱和吸收的泵浦光与检测光频率不相等。此时，交叉吸收峰的位置将偏离传统饱和吸收光谱上对应峰的位置，每个位置的交叉吸收峰均是由两个大小相同、速度相反的粒子群参与形成的，由高斯分布的对称性可知，这两个粒子群体量也等同。因此，交叉吸收峰强度的一半即代表了这个粒子群的多少。可以通过改变泵浦光的频率使交叉吸收峰在检测光的光谱上移动，检测交叉吸收峰强度的变化，这个强度即代表了被筛选的某一速度的粒子群的多少，这便是交叉吸收峰筛选原子速度的原理。而粒子速度的分布是与温度一一对应的，如果能使交叉吸收峰快速扫描出粒子速度分布，便可即时解算出当下的温度。在这个光路图中，由于示波器中两个光谱(传统的饱和吸收光谱和交叉吸收峰可移动的饱和吸收光谱)均来自同一激光器，因此可以比较谱线出现的位置，便于识别示波器中出现的谱线属于哪一精细能级。
该方法的具体测温流程为：
(1)调节泵浦光与检测光的两个激光光源，在示波器上看到85Rb原子F＝2→F′精细能级的谱线；
(2)调节泵浦光，使交叉吸收峰在光谱上移动，遍历光谱的多普勒展宽范围，用示波器记录并保存下移动过程中多个位置光谱数据；
(3)差分步骤(2)中饱和吸收光谱与纯吸收光谱，得到消多普勒光强信号；
(4)提取消多普勒信号中饱和吸收峰的信息，选择其中信号强度较大的交叉吸收峰作为观察对象，得到这个交叉吸收峰在不同位置的光强；
(5)高斯拟合所得到的峰值强度信息，从拟合系数中计算此时的温度；
(6)重复步骤(2)到步骤(5)得到多组数据取平均值。
如图2所示，从移动中的交叉吸收峰的一个位置对比可以看出CO(1,3)与CO(2,3)两个交叉吸收峰比较尖锐，易于辨识，因此选取这两个交叉吸收峰作为数据采集的对象。所选的两个交叉吸收峰在光谱上移动，差分饱和吸收光谱与纯吸收光谱，得到消多普勒光强信号，得到这个交叉吸收峰在不同位置的光强。
如图3所示，高斯拟合所得到的峰值强度信息，从拟合系数中计算此时的温度。
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 (10)

1.一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，包括设置在待测温原子气室左侧的第一半透半反镜片和设置在所述待测温原子气室右侧的第一反射镜，所述第一反射镜通过第二偏振分光棱镜分别连接示波器和泵浦光激光器，所述第一半透半反镜片通过第一偏振分光棱镜连接检测光激光器，所述第一半透半反镜片通过光谱对照气室连接所述示波器，所述示波器连接计算机。
2.根据权利要求1所述的基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，所述泵浦光激光器依次通过第二隔离器和第二半波片连接所述第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜与所述示波器之间设置有第一光电探测器。
3.根据权利要求1所述的基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，所述检测光激光器依次通过第一隔离器和第一半波片连接所述第一偏振分光棱镜。
4.根据权利要求1所述的基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，所述光谱对照气室的左侧设置有第二半透半反镜片，所述光谱对照气室的右侧设置有分光窗口，所述分光窗口通过第二反射镜连接所述第二半透半反镜片，所述第二半透半反镜片与所述示波器之间设置有第二光电探测器。
5.根据权利要求1所述的基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，所述待测温原子气室位于加热筒内。
6.根据权利要求1所述的基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，所述检测光激光器和所述泵浦光激光器均为半导体激光器，所述半导体激光器为DFB激光器。
7.根据权利要求4所述的基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，所述分光窗口为不镀膜的玻璃窗口。
8.根据权利要求1所述的基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温系统，其特征在于，所述检测光激光器和所述泵浦光激光器分别独立调谐而导致检测光频率与饱和吸收的泵浦光频率不相等，使饱和吸收光谱中的交叉吸收峰移位，通过交叉吸收峰移动过程中的强度变化得出原子气室温度。
9.一种基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，调节泵浦光与检测光的两个激光光源，在示波器上看到待测温原子气室中的原子能级跃迁的精细能级谱线；
步骤B，调节泵浦光，使交叉吸收峰在光谱上移动，遍历光谱的多普勒展宽范围，用示波器记录并保存下移动过程中多个位置光谱数据；
步骤C，差分步骤B中饱和吸收光谱与纯吸收光谱，得到消多普勒光强信号；
步骤D，提取消多普勒信号中饱和吸收峰的信息，选择其中信号强度较大的交叉吸收峰作为观察对象，得到这个交叉吸收峰在不同位置的光强；
步骤E，采用高斯拟合所得到的峰值强度信息，从拟合系数中计算此时的温度；
步骤F，重复步骤B到步骤E得到多组数据取平均值，通过交叉吸收峰移动时强度变化来计算温度信息。
10.根据权利要求9所述的基于交叉吸收峰速度选择的原子气室测温方法，其特征在于，所述步骤A中待测温原子气室中的原子为铷85Rb原子，所述能级跃迁为F＝2→F’，其中F为能级，F’为跃迁后的能级。
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