CN114323420A - 一种便携式量子真空测量装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种便携式量子真空测量装置，包括测量探头、参考腔体、检测光路模块、参考光路模块以及拍频检测模块，其中：测量探头与检测光路模块连接；参考腔体与参考光路模块连接；检测光路模块和参考光路模块均与拍频检测模块连接。本申请基于激光干涉法的便携式量子真空计的压力测量范围为粗低真空(10Pa‑105Pa)，其上限可以更高，可以通过气体分子极化率、磁化率与折射率之间的物理关系，进行原位的量子真空测量，有效降低装置的测量不确定度，其次，由于其本身是原级量子真空测量装置，其测量值即为真空度真值，因此无需进行周期性校准，提升了装置的使用效率。
Description
技术领域
本申请涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种便携式量子真空测量装置。
背景技术
真空测量法技术是国防军工、航空航天和材料能源领域不可或缺的一种计量技术。
目前在粗低真空范围内，主要是利用电容薄膜真空计进行真空测量，由于其本身特性限制，需要定期进行校准，无法实现真正意义上的绝对测量。而自20届真空计量大会以来，NIST、PTB等世界一流计量机构提出了以光学方法和量子技术进行绝对真空测量的新颖理念，以基于F-P腔的激光干涉量子粗低真空测量方法和基于冷原子的超高极高真空测量方法最具代表性。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种便携式量子真空测量装置，通过激光干涉法，以实现粗低真空范围内真空度的原级量子化测量、提升测量不确定度以及发展基于光学方法的量子真空计量技术目的。
为了实现上述目的，本申请提供了一种便携式量子真空测量装置，包括测量探头、参考腔体、检测光路模块、参考光路模块以及拍频检测模块，其中：测量探头与检测光路模块连接；参考腔体与参考光路模块连接；检测光路模块和参考光路模块均与拍频检测模块连接。
进一步的，测量探头设置在真空环境中，包括依次连接的检测光电探测器、测量高反镜、检测腔、光准直器以及传输电缆。
进一步的，参考腔体包括依次连接的参考光电探测器、参考腔高反镜以及封闭腔。
进一步的，检测光路模块包括依次连接的检测激光器、检测激光分束光纤、检测激光准直器、检测光路1/2波片、检测光路格兰棱镜、检测光路透镜组、检测光路电光调制器、检测光路光隔离器、检测光路偏振分束镜、检测光路1/4波片以及空间光收集器。
进一步的，检测光路模块还包括依次连接的检测光路高反镜、检测光路聚焦透镜以及检测光路光电放大探测器，检测光路高反镜与检测光路偏振分束镜连接。
进一步的，参考光路模块包括依次连接的参考激光器、参考激光分束光纤、参考激光准直器、参考光路1/2波片、参考光路格兰棱镜、参考光路透镜组、参考光路电光调制器、参考光路隔离器、参考光路偏振分束镜以及参考光路1/4波片。
进一步的，参考光路模块还包括依次连接的参考光路高反镜、参考光路聚焦透镜以及参考光路光电放大探测器，参考光路高反镜与参考光路偏振分束镜连接。
进一步的，还包括第一锁频模块和第二锁频模块，第一锁频模块与检测光路模块连接，第二锁频模块与参考光路模块连接。
进一步的，还包括电源模块。
进一步的，拍频检测模块由频率计构成。
本发明提供的一种便携式量子真空测量装置，具有以下有益效果：
本申请基于激光干涉法的便携式量子真空计的压力测量范围为粗低真空(10Pa-105Pa)，其上限可以更高，可以通过气体分子极化率、磁化率与折射率之间的物理关系，进行原位的量子真空测量，有效降低装置的测量不确定度，其次，由于其本身是原级量子真空测量装置，其测量值即为真空度真值，因此无需进行周期性校准，提升了装置的使用效率。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的便携式量子真空测量装置的示意图；
图2是根据本申请实施例提供的便携式量子真空测量装置参考光路模块和检测光路模块的示意图；
图中：A-测量探头、B-参考腔体、C-检测光路模块、D-参考光路模块、E-第一锁频模块、F-第二锁频模块、G-电源模块、H-拍频检测模块、1-参考激光器、2-参考激光分束光纤、3-参考激光准直器、4-参考光路1/2波片、5-参考光路格兰棱镜、6-参考光路透镜组、7-参考光路电光调制器、8-参考光路隔离器、9-参考光路偏振分束镜、10-参考光路1/4波片、11-参考光路780nm高反镜、12-参考光路聚焦透镜、13-参考光路光电放大探测器、14-参考腔、15-参考腔780nm高反镜、16-参考激光光电探测器、17-检测激光器、18-检测激光分束光纤、19-检测激光准直器、20-检测光路1/2波片、21-检测光路格兰棱镜、22-检测光路透镜组、23-检测光路电光调制器、24-检测光路光隔离器、25-检测光路偏振分束镜、26-检测光路1/4波片、27-空间光收集器、28-检测光路780nm高反镜、29-检测光路聚焦透镜、30-检测光路光电放大探测器、31-信号及电传输线缆、32-光准直器、33-测量探头腔体、34-测量腔体780nm高反镜、35-检测激光光电探测器、36-频率计。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-2所示，本申请提供了一种便携式量子真空测量装置，包括测量探头A、参考腔体B、检测光路模块C、参考光路模块D以及拍频检测模块H，其中：测量探头A与检测光路模块C连接；参考腔体B与参考光路模块D连接；检测光路模块C和参考光路模块D均与拍频检测模块H连接。
具体的，本申请实施例提供的便携式量子真空测量装置，根据气体分子密度与折射率之间存在量化关系，利用激光干涉法原理、气体分子极化率和磁化率与气体折射率之间的对应量化关系，通过测定高真空(小于10-5Pa量级)状态下Fabry-Perot参考腔内谐振激光频率、检测激光和参考激光之间的拍频，其后将测量探头置于所需测量的密闭真空环境下，再次测量两束激光之间的拍频，通过对比前后状态下两束激光之间拍频的差值，并结合高真空环境下参考激光的谐振频率，可以对测量探头所处真空环境的气体折射率进行反演，并利用气体折射率、气体分子密度气体压力之间的关系，对所检测真空环境的真空度进行精确反演，实现环境真空度的真值的原位、原级量子化测量，可以有效提高测量不确定度且装置无需进行周期性校准。
进一步的，测量探头A设置在真空环境中，包括依次连接的检测光电探测器、测量高反镜、检测腔、光准直器以及传输电缆。在本申请实施例中，测量探头A包括信号及电传输线缆31、光准直器32、检测开放Fabry-Perot腔33、测量腔体780nm高反镜34以及检测激光光电探测器35，用于使激光经光准直器32后进入检测开放Fabry-Perot腔33，并在腔内发生反射与透射，并利用检测激光光电探测器35探测其透射信号，具体过程在于将检测光路模块C的出射激光引入测量探头内，在与真空环境真空度相同的测量探头内发生谐振，锁定激光器频率并探测其透射信号。
进一步的，参考腔体B包括依次连接的参考光电探测器、参考腔高反镜以及封闭腔。在本申请实施例中，参考腔体B包括封闭参考Fabry-Perot腔14，参考腔780nm高反镜15以及参考激光光电探测器16，主要是为了获取并维持10-5Pa的高真空参考环境，利用吸气剂使其真空度长期保持10-5Pa量级，其腔内激光谐振频率始终保持不变，并对激光进行准直，使其在10-5Pa的高真空参考环境进行反射与透射，并用光电探测器进行透射信号的探测。
进一步的，检测光路模块C包括依次连接的检测激光器17、检测激光分束光纤18、检测激光准直器19、检测光路1/2波片20、检测光路格兰棱镜21、检测光路透镜组22、检测光路电光调制器23、检测光路光隔离器24、检测光路偏振分束镜25、检测光路1/4波片26以及空间光收集器27。检测光路模块C的主要作用是为了实现对进入测量探头之前的检测光进行调制，使其能量主要集中于入射激光的零阶模，并使进入腔体的入射光和反射光可以共轴。
进一步的，检测光路模块C还包括依次连接的检测光路高反镜、检测光路聚焦透镜29以及检测光路光电放大探测器30，检测光路高反镜与检测光路偏振分束镜25连接。在本申请实施例中，检测光路模块C还包括检测光路780nm高反镜28、检测光路聚焦透镜29以及检测光路光电放大探测器30，检测光路的激光传输过程如下，检测激光自检测激光器17出射传输至参考激光分束光纤18，经检测激光准直器19准直后，经检测光路1/2波片20调制并入射至参考光路格兰棱镜21，产生边带，经检测光路透镜组22调制光斑形状后，经检测光路1/2波片20再次调制并传输至检测光路电光调制器23，其后穿过检测光路光隔离器24，并由检测光路1/2波片20再次进行调制，使其可以透过检测光路偏振分束棱镜25，检测光路1/4波片24的主要作用是使由空间光收集器27的光经由信号及电传输线缆31和光准直器32进入测量探头检测开放Fabry-Perot腔33的检测光与被测量腔体780nm反射回的反射光相位相反，反射光到达检测光路偏振分束棱镜25时被反射至检测光路780nm反射镜28，经再次反射后由检测光路聚焦透镜29汇聚至检测光路光电放大探测器30形成误差信号。
进一步的，参考光路模块D包括依次连接的参考激光器1、参考激光分束光纤2、参考激光准直器3、参考光路1/2波片4、参考光路格兰棱镜5、参考光路透镜组6、参考光路电光调制器7、参考光路隔离器8、参考光路偏振分束镜9以及参考光路1/4波片10。参考光路模块D的主要作用是为了实现对进入参考光路之前的参考光进行调制，使其能量主要集中于入射激光的零阶模，并使进入腔体的入射光和镜面反射光可以共轴。
进一步的，参考光路模块D还包括依次连接的参考光路高反镜、参考光路聚焦透镜12以及参考光路光电放大探测器13，参考光路高反镜与参考光路偏振分束镜9连接。在本申请实施例中，参考光路模块D还包括参考光路780nm高反镜11、参考光路聚焦透镜12以及参考光路光电放大探测器13，参考光路的激光传输过程如下，参考激光自参考激光器1出射传输至参考激光分束光纤2，经参考激光准直器3准直后，经参考光路1/2波片4调制并入射至参考光路格兰棱镜5，产生边带；经参考光路透镜组6调制光斑形状后，经参考光路1/2波片4再次调制并传输至参考光路电光调制器7，其后穿过参考光路光隔离器8，并由参考光路1/2波片4再次进行调制，使其可以透过参考光路偏振分束棱镜9，参考光路1/4波片10的主要作用是使进入参考腔14的入射光和经参考腔780nm高反镜15反射的反射光相位完全相反，进而使其到达参考光路偏振分束棱镜9时被反射至参考光路780nm反射镜11，经再次反射后由参考光路聚焦透镜12汇聚至参考光路光电放大探测器13形成误差信号。
进一步的，还包括第一锁频模块E和第二锁频模块F，第一锁频模块E与检测光路模块C连接，第二锁频模块F与参考光路模块D连接。第一锁频模块E利用PDH原理，利用测量探头的透射信号、反射信号和激光器的控制脉冲信号进行检测光路激光器频率锁定的装置。第二锁频模块F同样利用PDH原理，利用参考光路的透射信号、反射信号和激光器的控制脉冲信号进行参考光路激光器频率锁定的装置。
进一步的，还包括电源模块G。电源模块G主要为该装置中的所有用电器件及模块进行供电。
进一步的，拍频检测模块H由频率计36构成。拍频检测模块H主要是为了检测检测激光和参考激光之间的频率差进行测定，由于测量探头和参考腔体之间的真空度存在一定差异，因此两束谐振激光的频率存在一定差异，因此可以通过测量前后两束激光拍频的差值进行真空环境内真空度的反演。在本申请实施例中，将利用参考激光分束光纤2和检测激光分束光纤18分束的参考激光和检测激光引入频率计36，即可测量两束激光的频率差，并通过频率差、参考激光谐振频率、腔体材料杨氏模量等值反演真空环境内真空度。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种便携式量子真空测量装置，其特征在于，包括测量探头、参考腔体、检测光路模块、参考光路模块以及拍频检测模块，其中：
所述测量探头与所述检测光路模块连接；
所述参考腔体与所述参考光路模块连接；
所述检测光路模块和所述参考光路模块均与所述拍频检测模块连接。
2.如权利要求1所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，所述测量探头设置在真空环境中，包括依次连接的检测光电探测器、测量高反镜、检测腔、光准直器以及传输电缆。
3.如权利要求1所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，所述参考腔体包括依次连接的参考光电探测器、参考腔高反镜以及封闭腔。
4.如权利要求2所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，所述检测光路模块包括依次连接的检测激光器、检测激光分束光纤、检测激光准直器、检测光路1/2波片、检测光路格兰棱镜、检测光路透镜组、检测光路电光调制器、检测光路光隔离器、检测光路偏振分束镜、检测光路1/4波片以及空间光收集器。
5.如权利要求4所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，所述检测光路模块还包括依次连接的检测光路高反镜、检测光路聚焦透镜以及检测光路光电放大探测器，所述检测光路高反镜与所述检测光路偏振分束镜连接。
6.如权利要求3所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，所述参考光路模块包括依次连接的参考激光器、参考激光分束光纤、参考激光准直器、参考光路1/2波片、参考光路格兰棱镜、参考光路透镜组、参考光路电光调制器、参考光路隔离器、参考光路偏振分束镜以及参考光路1/4波片。
7.如权利要求6所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，所述参考光路模块还包括依次连接的参考光路高反镜、参考光路聚焦透镜以及参考光路光电放大探测器，所述参考光路高反镜与所述参考光路偏振分束镜连接。
8.如权利要求1所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，还包括第一锁频模块和第二锁频模块，所述第一锁频模块与所述检测光路模块连接，所述第二锁频模块与所述参考光路模块连接。
9.如权利要求1所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，还包括电源模块。
10.如权利要求1所述的便携式量子真空测量装置，其特征在于，所述拍频检测模块由频率计构成。
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| CN202111473375.6A CN114323420A (zh) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | 一种便携式量子真空测量装置 |
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