CN114204383B - 一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法。本发明将铯原子作为增益介质，通过459nm泵浦激光，在铯原子7S1/2态与6P3/2态之间建立布居数反转，通过谐振腔的腔反馈，使对应铯原子7S1/2态与6P3/2态跃迁的自发辐射不断放大，达到激光阈值后输出1470nm主动激射信号。通过测量产生主动激射信号时泵浦激光的频率，与铯原子6S1/2态到7P1/2态跃迁频率的频率差，利用多普勒频移效应，可以精确计算铯原子气室的温度。本发明大大提升物理量开尔文的测量精度，所实现的温度的测量精度与激光频率的测量精度相当。本方明具有重要的应用价值，是测量物理量开尔文的新途径，并显著提高其测量精度。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法。
背景技术
1967年第13届国际计量大会将国际单位制热力学温度正式定义为：水三相点热力学温度的1/273.16，并确定其单位为开尔文。但按照该定义，对温度的绝对测量必须采用热力学温度计，虽然热力学温标在理论上是合理的，但却不现实，实现非常困难。人们只能根据当下测量仪器的精度不断提高温度的测量准确度，使其尽可能逼近热力学温度。这种测量手段持续了半个多世纪，直到2018年，第26届国际计量大会，才真正确定了以基本物理常数来定义国际单位开尔文：1开尔文为对应玻尔兹曼常数为1.380649×10-23J·K-1时的热力学温度。至此，从基于实物的定义改为基于定义常数的新定义，使得国际单位制开尔文实现真正进入了量子时代。
通过该方法可以将物理量开尔文的测量精度大大提升，并提高其可靠性。但是，采用此新定义实现温度测量的方法有限，且技术还不够成熟，如何利用该定义将温度的测量精度显著提升还需努力探索。
发明内容
本发明利用原子的固有跃迁频率，通过探测原子主动激射中心频率的变化，基于多普勒效应，借助麦克斯韦速度分布，可以实现热力学温度开尔文的测量，其测量精度取决于原子跃迁频率的测量精度。尤其是近年来，随着原子钟技术的不断进步，时间、频率是目前被测量的最准确的物理量，因此，本方法可以将温度的测量精度大大提升，至目前对频率的测量精度量级。
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于主动激射的量子温度计，要求其技术方案简单可靠，且能突破目前所有测量温度的方法所实现的测量精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于主动激射的量子温度计，其包括：
泵浦激光源1，用于产生波长与铯原子从6S1/2态到7P1/2态跃迁频率对应的459nm的泵浦激光；
激光控制器2，用于控制泵浦激光源1的温度、电流和腔长，从而控制泵浦激光源1的输出频率，并对泵浦激光源1输出的激光频率进行扫描；
隔离器3，防止光反馈影响泵浦激光源1输出激光的频率，接收泵浦激光源1输出的激光后，将隔离后的激光输出；
半波片4和偏振分光棱镜5，用于对所述隔离器3输出的激光的反射光和透射光的功率进行调节，经过偏振分光棱镜5的透射光用作所述泵浦光，经过偏振分光棱镜5的反射光用于探测铯原子产生饱和吸收谱信号；
饱和吸收谱装置6，接收经过偏振分光棱镜5后反射的激光信号，通过原子与激光的相互作用，产生饱和吸收谱信号，作为参考频率；
第一探测器7，用于探测经过饱和吸收谱装置6的透射光，将光信号转换成电信号；
铯原子气室9，接收经过偏振分光棱镜5后透射的泵浦光，用于泵浦主动受激辐射信号(主动激射信号)的增益介质。所述铯原子气室9内充入适当的纯铯原子，该原子气室窗口镀有对459nm波长的泵浦光和1470nm波长的主动激射信号光高透的介质膜，铯原子在泵浦光的泵浦下，铯原子发生从7S1/2态到6P3/2态的能级跃迁，产生1470nm的主动激射信号。其外部设置加热、保温和控温的模块，使得原子气室的可以加热到200℃，且控温精度达到0.001℃；
第一谐振腔镜8和第二谐振腔镜10，组合形成谐振腔，接收经过偏振分光棱镜5的透射光，并分别镀有对459nm波长的泵浦光高透，并对1470nm波长的主动激射信号光有一定反射率的介质膜，从而将459nm泵浦光不断透过，而将泵浦铯原子后产生的1470nm荧光信号不断放大，直到形成1470nm波长的主动激射信号光，从第二谐振腔镜10输出；
反射镜11，用于接收从第二谐振腔镜10输出的1470nm波长的主动激射信号光，反射镜11为镀有对459nm波长的泵浦光高透、对1470nm波长的主动激射信号光高反的介质膜。
第二探测器12，用于探测由反射镜11反射的1470nm波长的主动激射信号光，将光信号转换成电信号；
示波器13，用于接收经过第一探测器7后的电信号，观测饱和吸收谱信号，该信号可以反映对应铯原子6S1/2态到7P1/2态的各个超精细能级跃迁频率，用于对泵浦光频率进行标定；同时，接收经过第二探测器12后的电信号，观测对应铯原子1470nm跃迁的主动激射信号。
其中，所述量子温度计还包括所述铯原子气室9的外部设置磁屏蔽模块，隔绝外界磁场分别对铯原子跃迁频率的影响。
其中，所述量子温度计还包括所述第一谐振腔镜8连接压电陶瓷片，通过外加电压，改变谐振腔的腔长，从而控制1470nm激光信号是否与谐振腔共振。
此外，本发明还提供一种基于主动激射的量子温度计的实现方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：所述泵浦激光源1通过所述激光控制器2对其频率进行调节，调节至与铯原子6S1/2态到7P1/2态跃迁频率对应，并对其进行扫频，连续扫描范围达1GHz以上；
步骤S2：所述泵浦激光源1的频率调节至与铯原子6S1/2态到7P1/2态跃迁频率共振后，输入到所述饱和吸收谱装置6，产生饱和吸收谱信号，用于标定所述泵浦光的频率；
步骤S3：所述铯原子气室9通过温控装置控制其温度处于90摄氏度到200摄氏度之间的一个工作温度点，从而满足激光振荡所需的原子数条件；
步骤S4：所述泵浦光经所述第一谐振腔镜8透射进入所述铯原子气室9；
步骤S5：在所述铯原子气室9内，所述459nm泵浦光将铯原子从6S1/2态泵浦到7P1/2态，7P1/2态的铯原子经过自发辐射掉落到下能级，最终建立起铯原子7S1/2态与6P3/2态之间的布居数反转；
步骤S6：在所述铯原子气室9的增益作用下，并在所述第一谐振腔镜8及第二谐振腔镜10的腔增强作用下，同时，在所述泵浦光功率达到合适值时，使激光增益大于损耗，达到1470nm激光阈值，实现1470nm主动激射；
步骤S7：所述第二谐振腔镜10输出对应铯原子能级跃迁的1470nm激光；
步骤S8：所述泵浦源激光频率小于对应铯原子6S1/2态到7P1/2态的跃迁频率时，由于所述铯原子气室9中的铯原子被加热，根据麦克斯韦速度分布，每一个温度点下原子都存在最可几速度，利用多普勒效应，某些速度群的原子感受到的所述泵浦激光的频率正好对应铯原子6S1/2态到7P1/2态的跃迁频率，进而发生所述步骤S5，输出主动激射信号；
步骤S9：所述示波器13用于标定所述步骤S7产生主动激射信号时，计算所述泵浦光的频率距离铯原子6S1/2态与7P1/2态跃迁中心频率的差值，根据所述差值可以计算所述铯原子气室9中铯原子的最可几速率，进而计算所述铯原子气室9的温度。
其中，所述方法还包括：通过控制所述泵浦激光源1的所述激光控制器2电流、温度或施加在压电陶瓷上的电压，调节所述泵浦激光源1的频率的步骤。
其中，所述方法还包括：通过温控装置调节所述泵浦激光源1的所述激光控制器的电流，调节1470nm激光的输出功率大小的步骤。
其中，所述方法还包括：通过调节固定于所述第一谐振腔镜8上的压电陶瓷的电压来控制两个谐振腔的长度，从而控制输出的1470nm激光的功率的步骤。
其中，所述方法还包括：将所述泵浦激光源1的中心波长可以改为421nm，所述原子气室9的原子可以改为铷原子，从而输出中心波长为1367nm的主动激射信号，用于测量铷原子气室温度的步骤。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明将铯原子作为增益介质，通过459nm泵浦激光，将铯原子泵浦到7P1/2态，经过自发辐射，在铯原子7S1/2态与6P3/2态之间建立布居数反转，通过谐振腔的腔反馈，使对应铯原子7S1/2态与6P3/2态跃迁的自发辐射不断放大，达到激光阈值后输出1470nm主动激射信号。通过测量产生主动激射信号时泵浦激光的频率，与铯原子6S1/2态到7P1/2态跃迁频率的频率差，利用多普勒频移效应，可以精确计算铯原子气室的温度。从已有文献看，从来没有报道过本专利提出的基于主动激射实现的量子温度计，该方案利用原子的固有跃迁频率，通过物理常数测量温度，将大大提升物理量开尔文的测量精度，所实现的温度的测量精度与激光频率的测量精度相当。本方明具有重要的应用价值，是测量物理量开尔文的新途径，并显著提高其测量精度。
附图说明
图1为本发明产生一种基于主动激射的量子温度计的结构示意图。
图2为本发明实施过程中相关铯原子、铷原子的能级结构示意图；
(a)为铯原子的能级结构示意图，(b)为铷原子的能级结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种基于主动激射的量子温度计的装置，如图1所示，所述装置包括：
泵浦激光源1，用于产生波长与铯原子从6S1/2态到7P1/2态跃迁频率对应的459nm的泵浦激光；
激光控制器2，用于控制泵浦激光源1的温度、电流和腔长，从而控制泵浦激光源1的输出频率，并对泵浦激光源1输出的激光频率进行扫描；
隔离器3，防止光反馈影响泵浦激光源1输出激光的频率，接收泵浦激光源1输出的激光后，将隔离后的激光输出；
半波片4和偏振分光棱镜5，用于对所述隔离器3输出的激光的反射光和透射光的功率进行调节，经过偏振分光棱镜5的透射光用作所述泵浦光，经过偏振分光棱镜5的反射光用于探测铯原子产生饱和吸收谱信号；
饱和吸收谱装置6，接收经过偏振分光棱镜5后反射的信号，通过原子与激光的相互作用，产生饱和吸收谱信号，作为频率参考；
第一探测器7，用于探测经过饱和吸收谱装置6的透射光，将光信号转换成电信号；
铯原子气室9，接收接收经过偏振分光棱镜5后透射的泵浦光，用于泵浦主动受激辐射信号(主动激射信号)的增益介质。所述铯原子气室9内充入适当的纯铯原子，该原子气室窗口镀有对459nm波长和1470nm波长的光高透的介质膜，在泵浦光的泵浦下，产生与铯原子7S1/2态到6P3/2态跃迁频率对应的1470nm的主动激射信号。其外部设置加热、保温和控温的模块，使得原子气室的可以加热到200℃，且控温精度达到0.001℃；
第一谐振腔镜8和第二谐振腔镜10，组合形成谐振腔，接收经过偏振分光棱镜5的透射光，并分别镀有对459nm波长的光高透，并对1470nm波长的光有一定反射率的介质膜，从而将459nm泵浦光不断透过，而将泵浦铯原子后产生的1470nm荧光信号不断放大，直到形成1470nm主动激射信号，从第二谐振腔镜10输出；
反射镜11，用于接收从第二谐振腔镜10输出的1470nm主动激射信号，镀有对459nm波长的光高透，对1470nm波长的光高反的介质膜。
第二探测器12，用于探测由反射镜11反射的1470nm主动激射信号，将光信号转换成电信号；
示波器13，用于接收经过第一探测器7后的电信号，观测饱和吸收谱信号，该信号可以反映对应铯原子6S1/2态到7P1/2态的各个超精细能级跃迁频率，用于对泵浦光频率进行标定；同时，接收经过第二探测器12后的电信号，观测对应铯原子1470nm跃迁的主动激射信号。
其中，所述装置还包括所述铯原子气室9的外部设置磁屏蔽模块，隔绝外界磁场分别对铯原子跃迁频率的影响。
其中，所述装置还包括所述第一谐振腔镜8连接压电陶瓷片，通过外加电压，改变谐振腔的腔长，从而控制1470nm激光信号是否与谐振腔共振。
此外，本发明还提供一种基于主动激射的量子温度计的实现方法，所述方法基于前述装置来实施，该方法具体包括如下步骤：
步骤S1：所述泵浦激光源1通过所述激光控制器2对其频率进行调节，调节至与铯原子6S1/2态到7P1/2态跃迁频率对应，并对其进行扫频，连续扫描范围达1GHz以上；
步骤S2：所述泵浦激光源1的频率调节至与铯原子6S1/2态到7P1/2态跃迁频率共振后，输入到所述饱和吸收谱装置6，产生饱和吸收谱信号，用于标定所述泵浦光的频率；
步骤S3：所述铯原子气室9通过温控装置控制其温度处于90摄氏度到200摄氏度之间的一个工作温度点，从而满足激光振荡所需的原子数条件；
步骤S4：所述泵浦光经所述第一谐振腔镜8透射进入所述铯原子气室9；
步骤S5：在所述铯原子气室9内，所述459nm泵浦光将铯原子从6S1/2态泵浦到7P1/2态，7P1/2态的铯原子经过自发辐射掉落到下能级，最终建立起铯原子7S1/2态与6P3/2态之间的布居数反转；
步骤S6：在所述铯原子气室9的增益作用下，并在所述第一谐振腔镜8及第二谐振腔镜10的腔增强作用下，同时，在所述泵浦光功率达到合适值时，使激光增益大于损耗，达到1470nm激光阈值，实现1470nm主动激射；
步骤S7：所述第二谐振腔镜10输出对应铯原子能级跃迁的1470nm激光；
步骤S8：所述泵浦源激光频率小于对应铯原子6S1/2态到7P1/2态的跃迁频率时，由于所述铯原子气室9中的铯原子被加热，根据麦克斯韦速度分布，每一个温度点下原子都存在最可几速度，利用多普勒效应，某些速度群的原子感受到的所述泵浦激光的频率正好对应铯原子6S1/2态到7P1/2态的跃迁频率，进而发生所述步骤S5，输出主动激射信号；
步骤S9：所述示波器13用于标定所述步骤S8产生主动激射信号时，所述泵浦光的频率距离铯原子6S1/2态与7P1/2态跃迁中心频率的差值，根据所述差值可以计算所述铯原子气室9中铯原子的最可几速率，进而计算所述铯原子气室9的温度。
其中，所述方法还包括：通过控制所述泵浦激光源1的所述激光控制器2电流、温度或施加在压电陶瓷上的电压，调节所述泵浦激光源1的频率的步骤。
其中，所述方法还包括：通过调节所述激光控制器2的电流，调节1470nm激光的输出功率大小的步骤。
其中，所述方法还包括：通过调节固定于所述第一谐振腔镜8上的压电陶瓷的电压来控制两个谐振腔的长度，从而控制输出的1470nm激光的功率的步骤。
其中，所述方法还包括：将所述泵浦激光源1的中心波长可以改为421nm，所述原子气室9的原子可以改为铷原子，从而输出中心波长为1367nm的主动激射信号，用于测量铷原子气室温度的步骤。
下面结合具体实施例进行详细描述。
实施例
本实施例中，如图1所示，一种基于主动激射的量子温度计的装置包括：泵浦激光源1、激光控制器2、隔离器3、半波片4、偏振分光棱镜5、饱和吸收谱装置6、第一探测器7、第一谐振腔镜8、第二谐振腔镜10、铯原子气室9、反射镜11、第二探测器12、以及示波器13。
泵浦激光源1输出的459nm泵浦光将铯原子泵浦到7S1/2态，在铯原子7S1/2态和6P3/2态之间建立布居数反转，激光控制器2用于调节泵浦激光源1的激光频率，隔离器3防止光反馈影响泵浦激光源1的激光频率，半波片4和偏振分光棱镜5用于调节从偏振分光棱镜5输出的透射光和反射光的光强，饱和吸收谱装置6用于标定铯原子的跃迁频率；第一探测器7用于探测铯原子7S1/2态到6P3/2态跃迁的饱和吸收谱；第一谐振腔镜8和第二谐振腔镜10形成谐振腔具有1470nm光反馈的功能；铯原子气室9作为增益介质使用；反射镜11滤除459nm泵浦光并将1470nm主动激射信号全部反射；第二探测器12用于探测1470nm主动激射信号；示波器13用于显示459nm饱和吸收谱和1470nm主动激射信号，从而标定泵浦光的频率距离铯原子6S1/2态与7P1/2态跃迁中心频率的差值，精确计算铯原子气室9的温度。
如图2所示，从铯原子的能级图来看，当泵浦激光源1与铯原子6S1/2态到7P1/2态的跃迁频率共振时，铯原子气室9中的铯原子被泵浦到7S1/2态，使铯原子7S1/2态与6P3/2态之间建立布居数反转，第一谐振腔镜8和第二谐振腔镜10对1470nm波长的激光进行光反馈，通过调节铯原子气室9的温度以及泵浦激光源1的功率，当增益大于损耗时，实现主动激射，从第二谐振腔镜输出对应铯原子1470nm跃迁的激光。
本发明的另一实施例是，将上述实施例中的泵浦激光源1的换成波长为421nm的激光，原子气室9中的增益介质换成铷原子，第一谐振腔镜8和第二谐振腔镜10组成的谐振腔对1367nm激光具有光反馈能力，能级图见图2。从铷原子的能级图来看，当泵浦激光源1与铷原子5S1/2态到6P1/2态的跃迁频率共振时，铷原子气室9中的铷原子被泵浦到6S1/2态，使铷原子6S1/2态与7P3/2态之间建立布居数反转，第一谐振腔镜8和第二谐振腔镜10对1367nm波长的激光进行光反馈，通过调节铷原子气室9的温度以及泵浦激光源1的功率，当增益大于损耗时，实现主动激射，从第二谐振腔镜输出对应铯原子1367nm跃迁的激光。其他的技术和方法与基于1470nm主动激射的量子温度计的实施例一致。
其中，所述泵浦激光源的频率通过控制所述激光控制器的电流、温度或施加在压电陶瓷上的电压，来进行调节。
其中，所述泵浦激光源的功率通过控制所述激光控制器2的电流，来进行调节。
其中，通过调节固定于所述第一谐振腔镜上的压电陶瓷的电压来控制两个谐振腔的长度，从而控制1470nm主动激射的功率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于主动激射的量子温度计，其特征在于，包括
泵浦激光源(1)，用于产生频率与原子气室(9)所充目标原子的能级间跃迁频率对应的激光；
光束调节装置，用于对泵浦激光源(1)输出的激光进行功率调节并分为两束：一束用作泵浦光，一束用于探测光；
饱和吸收谱装置(6)，用于接收所述探测光，通过饱和吸收谱装置内所述目标原子与所述探测光的相互作用，产生饱和吸收谱信号；
第一探测器(7)，用于探测经过饱和吸收谱装置(6)输出的饱和吸收谱信号并将其转换成电信号后输入至示波器(13)；
原子气室(9)，位于谐振腔内，用于接收所述泵浦光，所述目标原子与所述泵浦光相互作用产生能级跃迁，形成主动受激辐射信号光并在所述谐振腔内振荡放大后输出；
第二探测器(12)，用于接收所述主动受激辐射信号光并将其转换成电信号并输入至示波器(13)；
示波器(13)，用于根据第一探测器(7)输入的电信号对泵浦光频率进行标定；并计算所标定的泵浦光频率与第二探测器(12)所输入电信号对应的主动激射信号频率之间的差值；根据所述差值计算所述原子气室(9)的温度。
2.根据权利要求1所述的量子温度计，其特征在于，所述光束调节装置包括半波片(4)和偏振分光棱镜(5)；其中，所述半波片(4)用于对激光功率进行调节，所述偏振分光棱镜(5)用于将调节后的激光分为两束。
3.根据权利要求2所述的量子温度计，其特征在于，所述谐振腔包括第一谐振腔镜(8)和第二谐振腔镜(10)；所述第一谐振腔镜(8)用于接收经过偏振分光棱镜(5)分束输出的所述泵浦光，并分别镀有对所述泵浦光高透、对所述主动受激辐射信号光有一定反射率的介质膜。
4.根据权利要求3所述的量子温度计，其特征在于，从第二谐振腔镜(10)输出的主动激射信号光经介质膜(11)反射至第二探测器(12)；其中所述介质膜(11)为对所述泵浦光高透、对所述主动受激辐射信号光高反的介质膜。
5.根据权利要求1至4任一项所述的量子温度计，其特征在于，所述原子气室(9)内充入的目标原子为铯原子，所述原子气室(9)的窗口镀有对所述泵浦光、主动受激辐射信号光高透的介质膜。
6.根据权利要求1至4任一项所述的量子温度计，其特征在于，还包括一激光控制器(2)，用于控制泵浦激光源(1)的温度、电流和腔长，从而控制泵浦激光源(1)的输出频率，并对泵浦激光源(1)输出的激光频率进行扫描。
7.根据权利要求1至4任一项所述的量子温度计，其特征在于，泵浦激光源(1)输出的激光经隔离器(3)输出到所述光束调节装置。
8.一种基于主动激射的量子温度计的实现方法，其步骤包括：
1)将泵浦激光源(1)的输出激光频率调节至与原子气室(9)所充目标原子的能级间跃迁频率对应的频率；
2)将所述泵浦激光源(1)的输出激光分为两束，一束作为探测光输入到饱和吸收谱装置(6)，产生饱和吸收谱信号；另一束作为泵浦光经第一谐振腔镜(8)透射进入所述原子气室(9)；
3)所述原子气室(9)内的目标原子与所述泵浦光相互作用产生能级跃迁，形成主动受激辐射信号光并在谐振腔内振荡放大后输出；
4)第一探测器(7)将饱和吸收谱装置(6)输出的饱和吸收谱信号转换成电信号后输入至示波器(13)；第二探测器(12)将所述主动受激辐射信号光转换成电信号并输入至示波器(13)；
5)示波器(13)根据第一探测器(7)输入的电信号对泵浦光频率进行标定；并计算所标定的泵浦光频率与第二探测器(12)所输入电信号对应的主动激射信号频率之间的差值；根据所述差值计算所述原子气室(9)的温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述原子气室(9)内充入的目标原子为铯原子，所述原子气室(9)的窗口镀有对所述泵浦光、主动受激辐射信号光高透的介质膜。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过激光控制器(2)控制泵浦激光源(1)的温度、电流和腔长，从而控制泵浦激光源(1)的输出频率，并对泵浦激光源(1)输出的激光频率进行扫描。
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