CN113758598B - 一种基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，通过第一激光光路和第二激光光路对两种混合碱金属原子光吸收同时测量，光与原子相互作用机理可使测量灵敏度提升，混合碱金属原子通过光吸收实现两束激光同时测量温度，并且可避免较高碱金属原子密度时，光学深度大导致的原子光吸收不均匀，或者激光被全部吸收从而无法出射气室，可有效降低所需激光功率。本发明中采用光强归一化的光路设计，避免了激光传输过程中，由于光学器件以及环境变化引起的光强波动对输出信号的影响，使激光可远程传输从而实现原子的远程操控。本发明还提供了一种基于混合碱金属原子光吸收的温度测量方法。

Description

一种基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统及方法

技术领域

本发明属于温度测量领域，特别是涉及一种基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统及方法。

背景技术

高精度温度测量在航空航天等领域具有重要的应用需求，火箭、空间站、卫星的发射过程以及太空运行中均需要测量高温变化，因此亟需小型化、高灵敏度、高测量精度的温度传感器。随着光学技术和量子操控技术的发展，近年来原子传感精密测量领域得到了国内外的广泛关注，其中利用光与原子相互作用机理敏感温度场量是原子传感发展的方向之一。

目前，中高温测温应用领域缺少高灵敏度、低成本的小型化温度传感器，为了提高测量精度，适应精密测量领域的需求，设计基于原子层面的温度测量系统是亟需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的通过光学手段反映出碱金属原子密度数随温度的变化，能够直接获得被测区域的热力学温度，采用混合碱金属原子方式，有效降低系统激光功率并提高温度测量的均匀性，利用激光手段可以实现原子的远程操控，为原子传感在温度测量领域的创新发展提供了解决方案。

本发明提供了一种基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，其包括：第一激发激光器，其发出第一激光，第二激发激光器，其发出第二激光；

消色差1/2波片，其用于旋转第一激光或第二激光的偏振面；

起偏器，其用于使第一激光变为第一线偏振激光，将第二激光变为第二线偏振激光；

等比例分光棱镜，所述等比例分光棱镜将所述第一线偏振激光和第二线偏振激光分别分为光强相同的反射和透射两束光；

混合碱金属气室，所述混合碱金属气室充入一定比例的两种混合碱金属原子；

所述第一线偏振激光经分光后的两束光经过光路输出后分别进入到第二光电探测器和第四光电探测器；所述等比例分光棱镜将所述第二线偏振激光分为光强相同的反射和透射两束光，所述第二线偏振激光经分光后的两束光经过光路输出后分别进入到第一光电探测器和第三光电探测器；

光强归一化模块，所述光强归一化模块与所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器相连接，获得归一化后电压信号；

信号处理器，所述光强归一化模块连接到信号处理器。

其中，在所述混合碱金属气室设置有缓冲气体。

其中，所述两种混合碱金属为钾-铷或铯-铷。

其中，进一步包括磁屏蔽壳体，其设置在所述混合碱金属气室的外侧，所述磁屏蔽壳体屏蔽外界磁场。

其中，进一步包括三维磁线圈，其环绕所述混合碱金属气室的主体结构，所述三维磁线圈设置于所述磁屏蔽壳体的内部。

其中，进一步包括第一高速光开关，其对第一激光的开关进行控制；第二高速光开关，其对第二激光的开关进行控制；光开关驱动器(16)可对第一高速光开关(3)和第二高速光开关(4)进行开关或高频调制控制。

其中，所述混合碱金属气室采用耐高温、通光性好的材料制成，所述材料为GE180铝硅酸盐玻璃。

本发明提供了一种基于混合碱金属原子光吸收的温度测量方法，其中，等比例分光棱镜将第一线偏振光分为光强相同的反射和透射两束光，反射光经过第四光电探测器，使光信号转换为电压信号输入光强归一化模块；透射光穿过混合碱金属气室，进入到所述第二光电探测器，使光信号转换为电压信号输入到光强归一化模块；

等比例分光棱镜将第二线偏振光分为光强相同的反射和透射两束光，反射光经过第三光电探测器，使光信号转换为电压信号输入光强归一化模块；透射光穿过混合碱金属气室，进入到所述第一光电探测器，使光信号转换为电压信号输入到光强归一化模块；

所述光强归一化模块连接到信号处理器，所述信号处理器利用两种混合碱金属原子的光吸收获得最终的温度测量值。

本发明提出了一种利用饱和蒸汽压下两种混合碱金属原子光吸收原理实现温度测量的系统及方法，该方法具有高灵敏度、高测量精度、小体积的特点。本发明方法适用于测量400K至800K范围的温度，传感器的碱金属气室敏感元器件体积小、结构简单、易于集成。利用光与原子相互作用机理可使测量灵敏度提升，并且采用混合碱金属原子通过光吸收实现两束激光同时测量温度的方式，有利于提高原子测温的均匀性并减小温度测量的误差。此外，采用可光强归一化的光路设计，避免了激光传输过程中，由于光学器件以及环境变化引起的光强波动对输出信号的影响，使激光可远程传输从而实现原子的远程操控。

附图说明

图1为本发明的温度测量系统设计示意图。

附图标记说明：1.第一激发激光器；2.第二激发激光器；3.第一高速光开关；4.第二高速光开关；5.消色差1/2波片；6.起偏器；7.等比例分光棱镜；8.混合碱金属气室；9.三维磁线圈；10.磁屏蔽壳体；11.第一光电探测器；12.第二光电探测器；13.第三光电探测器；14.第四光电探测器；15.光强归一化模块；16.光开关驱动器；17.信号处理器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合系统组成附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

图1所示为本发明的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统的设计示意图。所述温度测量系统包括：

第一激发激光器1，其发出第一激光，所述第一激光具有第一波长；第二激发激光器2，其发出第二激光，所述第二激光具有第二波长；所述第一波长与第二波长的波长值不同。

第一高速光开关3，其对第一激光的开关进行控制；第二高速光开关4，其对第二激光的开关进行控制。

消色差1/2波片5，其用于旋转第一激光或第二激光的偏振面，其在有效波长范围内，可实现两束不同波长的第一激光和第二激光偏振面的同时调节；作为进一步的优先，所述消色差1/2波片5包括两个不同的部分，所述两个不同的部分可以整体形成，也可以独立形成、相互之间组合构成消色差1/2波片5；所述第一激光通过消色差1/2波片5的一个部分，所述第二激光通过消色差1/2波片5的另一个部分。

起偏器6，其用于使第一激光变为第一线偏振激光，将第二激光变为第二线偏振激光，配合旋转消色差1/2波片5可实现入射混合碱金属气室8的激光光强大小调节。

等比例分光棱镜7，所述等比例分光棱镜7将所述第一线偏振激光分为光强相同的反射和透射两束光，所述第一线偏振激光经分光后的两束光经过光路输出后分别进入到第二光电探测器12和第四光电探测器14；所述等比例分光棱镜7将所述第二线偏振激光分为光强相同的反射和透射两束光，所述第二线偏振激光经分光后的两束光经过光路输出后分别进入到第一光电探测器11和第三光电探测器13。

混合碱金属气室8，其腔体可制作为圆柱体、长方体或球体中的一种，用于存储原子源，其采用耐高温、耐碱金属腐蚀、透光性好的材料制成，优选腔体采用GE180铝硅酸盐玻璃等制成；混合碱金属气室8中应充入一定比例的两种混合碱金属，所述两种混合碱金属包括碱金属原子A和碱金属原子B，优选所述两种混合碱金属可选择碱金属原子A为钾，碱金属原子B为铷，构成钾-铷两种混合碱金属；优选所述两种混合碱金属可选择碱金属原子A为铯，碱金属原子B为铷，构成铯-铷两种混合碱金属；第一激光可极化碱金属原子A，第二激光可极化碱金属原子B。

在所述混合碱金属气室8设置有缓冲气体，优选为⁴He缓冲气体，所述碱金属气室内为正压环境，优选高于一个大气压。所述混合碱金属气室8设置在等比例分光棱镜7与第一光电探测器11和第三光电探测器13之间，从等比例分光棱镜7透射的光经过所述混合碱金属气室8后，进入到对应的光电探测器。

磁屏蔽壳体10，其设置在所述混合碱金属气室8的外侧，所述磁屏蔽壳体10用于屏蔽外界磁场，避免地磁或环境磁场对所述混合碱金属气室8内的碱金属原子自旋的影响，优选磁屏蔽壳体10包围所述混合碱金属气室8，在所述磁屏蔽壳体10的两端设置有通光孔，确保第一线偏振激光和第二线偏振激光的入射和出射。

三维磁线圈9，其环绕所述混合碱金属气室8的主体结构，所述三维磁线圈9设置于所述磁屏蔽壳体10的内部，在三维磁线圈9中通入电流后产生磁场，用于补偿磁屏蔽壳体10内的剩余磁场，使混合碱金属气室8中的电子工作于近零磁场的环境，有效抑制碱金属原子中电子自旋的弛豫。

光强归一化模块15，所述光强归一化模块15与所述第一光电探测器11、第二光电探测器12、第三光电探测器13和第四光电探测器14相连接，获得归一化后电压信号。

信号处理器17，其用于对系统输出信号进行高频信号解调、单位转换、噪声分析和数据存储。所述光强归一化模块15连接到信号处理器17，所述信号处理器17与光开关驱动器16进行连接。所述光开关驱动器16对所述第一高速光开关3和第二高速光开关4进行控制，可用于对两束激光分别施加高频调制。

在光强归一化模块15中，利用第二光电探测器12的信号除以第四光电探测器14的信号，获得归一化电压信号后，将信号输入信号处理器17进行单位转换，信号处理器17用于对系统输出信号进行高频信号解调、单位转换、噪声分析和数据存储；所述信号处理器17可得到利用碱金属原子A的光吸收测得的温度值；同理，利用第一光电探测器11的信号除以第三光电探测器13的信号，获得的归一化电压信号经单位转换，可得到利用碱金属原子B的光吸收测得的温度值；因此可同时获得两组温度测量值，两组测量值进行平均计算获得最终的温度测量值，与单一碱金属原子测量温度相比，测量结果的准确度明显提高。

下面对本发明的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统的具体工作过程进行说明，具体如下：

所述第一激发激光器1的第一激光用于激发气相碱金属原子A，所述第一激光的激光频率在碱金属原子A最外层电子D1线或D2线跃迁频率附近，该第一激光依次经过第一高速光开关3、消色差1/2波片5、起偏器6后变为第一线偏振光，然后经过等比例分光棱镜7，所述等比例分光棱镜7将所述第一线偏振光分为光强相同的反射和透射两束光，其中反射光经过第四光电探测器14，使光信号转换为电压信号输入光强归一化模块15；透射光穿过所述磁屏蔽壳体10一侧的通光孔，之后入射混合碱金属气室8后，从所述磁屏蔽壳体10另一侧的通光孔出射，透射光进入到所述第二光电探测器12，所述第二光电探测器12使光信号转换为电压信号输入到光强归一化模块15。

第二激发激光器2发出的第二激光用于激发气相碱金属原子B，第二激光频率在碱金属原子B最外层电子D1线或D2线跃迁频率附近，该第二激光依次经过第二高速光开关4、消色差1/2波片5、起偏器6后变为第二线偏振光，所述第二线偏振光经过等比例分光棱镜7分为光强相同的反射和透射两束光，其中反射光经过第三光电探测器13后信号输入光强归一化模块15；透射光穿过所述磁屏蔽壳体10一侧的通光孔，之后入射混合碱金属气室8后，从所述磁屏蔽壳体10另一侧的通光孔出射，透射光进入到所述第一光电探测器11，使光信号转换为电压信号输入到光强归一化模块15。

在光强归一化模块15中，利用第二光电探测器12的信号除以第四光电探测器14的信号，获得归一化电压信号后，将信号输入信号处理器17进行单位转换，信号处理器17用于对系统输出信号进行高频信号解调、单位转换、噪声分析和数据存储；所述信号处理器17可得到利用碱金属原子A的光吸收测得的温度值；同理，利用第一光电探测器11的信号除以第三光电探测器13的信号，获得的归一化电压信号经单位转换，可得到利用碱金属原子B的光吸收测得的温度值；因此可同时获得两组温度测量值，两组测量值进行平均计算获得最终的温度测量值，与单一碱金属原子测量温度相比，测量结果的准确度明显提高。

相对于单一碱金属原子的系统，本发明中采用混合碱金属，第一激发激光器1发出的激光可极化碱金属原子A，第二激发激光器2发出的激光可极化碱金属原子B，碱金属原子A和碱金属原子B通过自旋交换碰撞可互相极化，有利于减小所需激光光强并提升碱金属原子极化的均匀度，减小极化不均匀导致的测量误差，并避免高温时碱金属原子光学深度大，导致激光在出射混合碱金属气室8前被全部吸收，测量精度和准确度明显提高。

第一高速光开关3和第二高速光开关4由光开关驱动器16控制，可用于对两束激光分别施加高频调制，最终信号在信号处理器17中进行解调，能够有效抑制低频随机噪声；控制第一高速光开关3和第二高速光开关4的开断，可以实现两束激光同时入射混合碱金属气室9，或者只允许一束激光入射混合碱金属气室9，即可实现操控其中一种碱金属原子或两种碱金属原子同时操控的光吸收测温方式。

混合碱金属原子气室8中，由于两种碱金属原子的密度会相互影响，则其中一种碱金属原子的数密度与温度之间的关系为：

其中，T是热力学温度，单位为开尔文，f_a为该种碱金属原子的摩尔占比，C和D为与碱金属原子种类相关的常数；以被第一激发激光器1发出的激光极化的碱金属原子A为例，由于碱金属原子对临近共振频率光子的吸收，则第二光电探测器12处的激光光强为：

I(n)＝I₀e^-nσ(v)l

其中，l为混合碱金属气室8沿激光方向的长度，I₀为激光进入所述混合碱金属气室8时初始光强，I₀理想情况下与第四光电探测器14探测到的光强相同；σ(υ)为频率相关的吸收触截面积，在正压环境下则有：

其中，c为光速，r_e为经典电子半径，f为跃迁振子强度，均为常数；Δυ为缓冲气体造成的谱线压力展宽的半高全宽，当缓冲气体气压不变时为常数；υ-υ₀为激光相对原子共振频率的失谐量，当激光频率不变时为常数，因此σ(υ)在缓冲气体气压和激光频率固定时，可以看作为不变量，由此可得到热力学温度T与归一化后的电压输出信号关系为：

其中K_PD为固定的信号放大倍数，是与初始激光光强I₀无关的常数；标定温度与归一化电压之间的近线性关系区域，得到单位转换标度因数，则可通过电压变化实现温度的主动测量。

本发明的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统及方法，利用碱金属在高温环境中会发生气化，不同温度下碱金属原子达到饱和蒸汽压时气相原子的数密度不同，气相的碱金属原子与频率在电子跃迁频率附近的激光能够发生相互作用，使激发激光被原子吸收产生光强的衰减，从而通过光强的变化实现温度的测量，并采用两种混合碱金属原子光吸收同时测量的手段，使电子极化均匀度提升，有利于提升测量精度并解决激光出射气室前被完全吸收的问题。该方法中原子密度对温度变化的灵敏度高，并且敏感源器件体积小、可远程操控、易于集成，有利于解决中高温测温应用领域缺少高灵敏度、低成本的小型化温度传感器的技术问题。

本发明方法适用于测量400K至800K范围的温度，传感器的碱金属气室敏感元器件体积小、结构简单、易于集成。利用光与原子相互作用机理可使测量灵敏度提升，并且采用混合碱金属原子通过光吸收实现两束激光同时测量温度的方式，有利于减小温度测量的误差。此外，采用可光强归一化的光路设计，避免了激光传输过程中，由于光学器件以及环境变化引起的光强波动对输出信号的影响，使激光可远程传输从而实现原子的远程操控。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，其包括：第一激发激光器(1)，其发出第一激光，第二激发激光器(2)，其发出第二激光；

消色差1/2波片(5)，其用于旋转第一激光和第二激光的偏振面；

起偏器(6)，其用于使第一激光变为第一线偏振激光，将第二激光变为第二线偏振激光；

等比例分光棱镜(7)，所述等比例分光棱镜将所述第一线偏振激光和第二线偏振激光分别分为光强相同的反射和透射两束光；

混合碱金属气室(8)，所述混合碱金属气室充入一定比例的两种混合碱金属原子；

所述第一线偏振激光经分光后的透射和反射光经过光路输出后分别进入到第二光电探测器(12)和第四光电探测器(14)；所述第二线偏振激光经分光后的透射和反射光经过光路输出后分别进入到第一光电探测器(11)和第三光电探测器(13)；

光强归一化模块(15)，所述光强归一化模块与所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器相连接，获得归一化后电压信号；

信号处理器(17)，所述光强归一化模块连接到信号处理器。

2.如权利要求1所述的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，其特征在于：在所述混合碱金属气室设置有缓冲气体，并且气体压力大于一个大气压。

3.如权利要求1所述的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，其特征在于：所述两种混合碱金属为钾-铷或铯-铷。

4.如权利要求1所述的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，其特征在于：进一步包括磁屏蔽壳体，其设置在所述混合碱金属气室的外侧，所述磁屏蔽壳体屏蔽外界磁场。

5.如权利要求4所述的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，其特征在于：进一步包括三维磁线圈，其环绕所述混合碱金属气室的主体结构，所述三维磁线圈设置于所述磁屏蔽壳体的内部。

6.如权利要求1所述的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，其特征在于：进一步包括第一高速光开关(3)，其对第一激光的开关进行控制；第二高速光开关(4)，其对第二激光的开关进行控制；光开关驱动器(16)可对第一高速光开关(3)和第二高速光开关(4)进行开关或高频调制控制。

7.如权利要求1所述的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统，其特征在于：所述混合碱金属气室采用耐高温、通光性好的材料制成。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的基于混合碱金属原子光吸收的温度测量系统的温度测量方法，其特征在于：等比例分光棱镜(7)将第一线偏振光分为光强相同的反射和透射两束光，反射光经过第四光电探测器(14)，使光信号转换为电压信号输入光强归一化模块(15)；透射光穿过混合碱金属气室，进入到所述第二光电探测器，使光信号转换为电压信号输入到光强归一化模块；

等比例分光棱镜将第二线偏振光分为光强相同的反射和透射两束光，反射光经过第三光电探测器，使光信号转换为电压信号输入光强归一化模块；透射光穿过混合碱金属气室，进入到所述第一光电探测器，使光信号转换为电压信号输入到光强归一化模块；

所述光强归一化模块连接到信号处理器，所述信号处理器利用两种混合碱金属原子的光吸收获得最终的温度测量值。

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