CN114383739A - 一种高精度激光测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度激光测量装置及方法，包括工作台，所述工作台顶部中心安装有原子气室，且工作台中心两侧安装有磁场系统，工作台顶部一侧固定连接有温控系统，且工作台顶部中心两侧对称安装有第一固定杆和第二固定杆，本发明引入原子气室作为法拉第原子滤光器来进行激光测量，通过调节的磁场的大小，改变原子在磁场的能级分裂值，从而改变原子跃迁频率，继而改变滤光器的滤过频率，即通过滤光器的频率可调，在知道特定条件下的滤光器的滤过频率的情况下，通过该滤光器的激光频率同样对比得出，有利于测量不同频率的激光，同时该种设备方法的测量精度高，波长精度可达0.001nm，并且本发明的设备简单，制造成本低。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体为一种高精度激光测量装置及方法。
背景技术
激光波长测量是激光的核心的参数，目前对于激光波长测量的常用方法，大致有干涉法，光栅法，以及吸收光谱法，其中干涉法精度较高需要仪器设备较为复杂，通常的光谱仪是采用的光栅法，通过光栅的衍射求得激光波长，光谱仪的优点是可以对比较宽的波长范围进行测量，一般精度较高的光谱仪价格较为昂贵，且大多是进口的，并且波长范围越大价格越贵，小型的光谱仪虽然不太贵但是精度较差，只能作为初步测量参考，吸收光谱法利用原子的吸收光谱精度较高，缺点是只能对特定的跃迁频率测量；
对于原子光谱法，利于原子上下能级差△E＝E2-E1，通过特定方法使得激光只能对准原子跃迁频率，从而得到激光频率V0＝△E/h，h为普朗克常数，将原子置于磁场中，由于Zeeman效应，原子能级发生分裂，δE＝mμBB，其中μB为玻尔磁子，m为角动量量子数，B为磁场；
由此得到原子跃迁频率为V＝V0+(m2-m1)μBB/h，对于常用的D2线，即m2对应于P能级，可能取值为0，±1，±2；m1对应于S能级，可能取值为0，±1，由此可以得到原子跃迁频率除原有的V0，还有另外多个取值，并且取值随磁场B可变，对于更高能级的跃迁，m对应的角量子数取值更多，也对应更多的可能频率，现有的激光测量装置只能对较为特定的频率测量，测量范围较为局限，同时测量设备的成本较高，不适合大范围推广，并且测量的过程中，测量的精度较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度激光测量装置及方法，以解决上述背景技术中提出测量范围单一、精度低以及设备成本高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高精度激光测量装置，包括工作台，所述工作台顶部中心安装有原子气室，且工作台中心两侧安装有磁场系统，工作台顶部一侧固定连接有温控系统，且工作台顶部中心两侧对称安装有第一固定杆和第二固定杆，第一固定杆和第二固定杆顶部分别固定连接有第二偏振片和第一偏振片。
优选的，所述工作台顶部两侧对称安装有第一安装杆和第二安装杆，且第一安装杆和第二安装杆顶部分别安装有第一光学准直透镜和第二光学准直透镜，工作台顶部一侧靠近边缘位置安装有光功率计。
优选的，所述工作台底部四角位置分别安装有支撑腿。
优选的，所述原子气室包括气密外壳、第一透过窗、玻璃泡和第二透过窗，工作台顶部中心安装有气密外壳，且气密外壳两侧中心分别固定连接有第一透过窗和第二透过窗，气密外壳内部设置有若干玻璃泡，且玻璃泡种填充有原子气体。
优选的，所述磁场系统包括磁场外壳、二极磁铁和螺线管，工作台中心两侧安装有磁场外壳，且磁场外壳内部一侧均匀安装有若干个螺线管，磁场外壳内部另一侧均匀安装有若干个二极磁铁。
优选的，所述温控系统包括热电偶温度计、温控外壳、高精度热敏电阻和加热丝，工作台顶部一侧安装有温控外壳，且温控外壳内部底面中心固定连接有高精度热敏电阻，温控外壳内部一侧安装有加热丝，且温控外壳外壁一侧顶部安装有热电偶温度计，热电偶温度计与加热丝通过导线电性连接。
一种高精度激光测量方法，包括步骤一，设备组装；步骤二，标准制定；步骤三，样品选择；步骤四，激光测量；步骤五，数据对比；
其中上述步骤一中，首先按照设计方案对设备进行拼接组装，工作台底部安装上四条支撑腿，随后将热电偶温度计、高精度热敏电阻和加热丝安装到温控外壳中，完成温控系统的组装，然后将温控系统安装到工作台上，继而将二极磁铁和螺线管安装到磁场外壳内部，完成磁场系统的组装，随后将磁场系统安装到工作台上，然后在玻璃泡中注入原子气体，随后将第一透过窗、玻璃泡和第二透过窗安装到气密外壳内部，完成原子气室的组装，随后将原子气室安装到工作台，随即将光功率计、第一光学准直透镜、第一偏振片、第一安装杆、第二偏振片、第二光学准直透镜、第二安装杆、第一固定杆和第二固定杆安装到工作台上，从而完成设备的安装；
其中上述步骤二中，当步骤一中的设备安装完成后，进行标准制定，原子气室内部气体为标准样品，原子气室完成制作后，测量其透射谱与温度，磁场的关系，即I(T，B，V)，光强为温度，磁场和光频率的函数，对于每一个标准原子气室可以得到这个数据库，数据库后续用作比对；
其中上述步骤三中，根据经验预估激光的频率范围，随后根据预估的评率的范围选择接近的原子气体样品，制作成相应的原子气室备用；
其中上述步骤四中，当步骤三中的原子气室制作完成后，待测激光依次穿过第二光学准直透镜、第二偏振片、原子气室、第一偏振片和第一光学准直透镜，最后照射到光功率计上，记录光功率计最大值时的磁场强度和温度备用；
其中上述步骤五中，利用步骤四中记录的磁场强度和温度与相应原子气室数据库进行比对，对应温度和磁场的最大光强的频率即为待测激光的频率，从而得出待测激光的频率。
优选的，所述步骤一中，原子气体为碱金属及碱土金属元素的气体。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明引入原子气室作为法拉第原子滤光器来进行激光测量，通过调节的磁场的大小，改变原子在磁场的能级分裂值，从而改变原子跃迁频率，继而改变滤光器的滤过频率，即通过滤光器的频率可调，在知道特定条件下的滤光器的滤过频率的情况下，通过该滤光器的激光频率同样对比得出，从而不仅仅只能测量单一频率，有利于测量不同频率的激光，提升了设备的实用性，同时该种设备方法的测量精度高，波长精度可达0.001nm，并且本发明的设备简单，制造成本低，适合大范围推广。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体结构立体图；
图2是本发明的整体结构正视图；
图3是本发明的磁场系统正视剖视图；
图4是本发明的原子气室正视剖视图；
图5是本发明的温控系统正视剖视图；
图6是本发明的铷原子在磁场下的能级图；
图7是本发明的铷原子气室在不同温度T下的透射光谱图；
图8是本发明的铷原子气室在不同磁场B下的透射光谱图；
图9是本发明的方法流程图。
图中：1、工作台；2、光功率计；3、第一光学准直透镜；4、第一偏振片；5、原子气室；6、温控系统；7、第一安装杆；8、磁场系统；9、第二偏振片；10、第二光学准直透镜；11、支撑腿；12、第二安装杆；13、第一固定杆；14、第二固定杆；501、气密外壳；502、第一透过窗；503、玻璃泡；504、第二透过窗；801、磁场外壳；802、二极磁铁；803、螺线管；601、热电偶温度计；602、温控外壳；603、高精度热敏电阻；604、加热丝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种高精度激光测量装置，包括工作台1，工作台1底部四角位置分别安装有支撑腿11，有利于支撑设备，工作台1顶部中心安装有原子气室5，原子气室5包括气密外壳501、第一透过窗502、玻璃泡503和第二透过窗504，工作台1顶部中心安装有气密外壳501，且气密外壳501两侧中心分别固定连接有第一透过窗502和第二透过窗504，气密外壳501内部设置有若干玻璃泡503，且玻璃泡503种填充有原子气体，且工作台1中心两侧安装有磁场系统8，磁场系统8包括磁场外壳801、二极磁铁802和螺线管803，工作台1中心两侧安装有磁场外壳801，且磁场外壳801内部一侧均匀安装有若干个螺线管803，磁场外壳801内部另一侧均匀安装有若干个二极磁铁802，有利于添加磁场，工作台1顶部一侧固定连接有温控系统6，温控系统6包括热电偶温度计601、温控外壳602、高精度热敏电阻603和加热丝604，工作台1顶部一侧安装有温控外壳602，且温控外壳602内部底面中心固定连接有高精度热敏电阻603，温控外壳602内部一侧安装有加热丝604，且温控外壳602外壁一侧顶部安装有热电偶温度计601，热电偶温度计601与加热丝604通过导线电性连接，有利于调节温度，且工作台1顶部中心两侧对称安装有第一固定杆13和第二固定杆14，第一固定杆13和第二固定杆14顶部分别固定连接有第二偏振片9和第一偏振片4，工作台1顶部两侧对称安装有第一安装杆7和第二安装杆12，且第一安装杆7和第二安装杆12顶部分别安装有第一光学准直透镜3和第二光学准直透镜10，工作台1顶部一侧靠近边缘位置安装有光功率计2。
请参阅图9，本发明提供一种技术方案：一种高精度激光测量方法，包括步骤一，设备组装；步骤二，标准制定；步骤三，样品选择；步骤四，激光测量；步骤五，数据对比；
其中上述步骤一中，首先按照设计方案对设备进行拼接组装，工作台1底部安装上四条支撑腿11，随后将热电偶温度计601、高精度热敏电阻603和加热丝604安装到温控外壳602中，完成温控系统6的组装，然后将温控系统6安装到工作台1上，继而将二极磁铁802和螺线管803安装到磁场外壳801内部，完成磁场系统8的组装，随后将磁场系统8安装到工作台1上，然后在玻璃泡503中注入原子气体，且原子气体为碱金属及碱土金属元素的气体，随后将第一透过窗502、玻璃泡503和第二透过窗504安装到气密外壳501内部，完成原子气室5的组装，随后将原子气室5安装到工作台1，随即将光功率计2、第一光学准直透镜3、第一偏振片4、第一安装杆7、第二偏振片9、第二光学准直透镜10、第二安装杆12、第一固定杆13和第二固定杆14安装到工作台1上，从而完成设备的安装；
其中上述步骤二中，当步骤一中的设备安装完成后，进行标准制定，原子气室5内部气体为标准样品，原子气室5完成制作后，测量其透射谱与温度，磁场的关系，即I(T，B，V)，光强为温度，磁场和光频率的函数，对于每一个标准原子气室5可以得到这个数据库，数据库后续用作比对；
其中上述步骤三中，根据经验预估激光的频率范围，随后根据预估的评率的范围选择接近的原子气体样品，制作成相应的原子气室5备用；
其中上述步骤四中，当步骤三中的原子气室5制作完成后，待测激光依次穿过第二光学准直透镜10、第二偏振片9、原子气室5、第一偏振片4和第一光学准直透镜3，最后照射到光功率计2上，记录光功率计2最大值时的磁场强度和温度备用；
其中上述步骤五中，利用步骤四中记录的磁场强度和温度与相应原子气室5数据库进行比对，对应温度和磁场的最大光强的频率即为待测激光的频率，从而得出待测激光的频率。
基于上述，本发明的优点在于，本发明在使用时，通过将原子气室5作为法拉第原子滤光器来测量激光，利用磁场系统8中的二极磁铁802和螺线管803来调节的磁场的大小，改变原子在磁场的能级分裂值，从而改变原子跃迁频率，继而改变滤光器的滤过频率，即通过滤光器的频率可调，在知道特定条件下的滤光器的滤过频率的情况下，当激光依次穿过第二光学准直透镜10、第二偏振片9、原子气室5、第一偏振片4和第一光学准直透镜3，最后照射到光功率计2上时，此时记录下光功率计2最大值时的磁场强度和温度数值，将记录的数值与标准情况下的数据库进行对比，找出此温度和磁场强度下的最大光强的频率即为待测激光的频率，用该设备和方法不仅仅能测量单一频率，有利于测量不同频率的激光强度，提升了设备的实用性，并且该方法的测量精度高，波长精度可达0.001nm，并且本发明的设备简单，制造成本低，适合大范围推广。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高精度激光测量装置，包括工作台(1)，其特征在于：所述工作台(1)顶部中心安装有原子气室(5)，且工作台(1)中心两侧安装有磁场系统(8)，工作台(1)顶部一侧固定连接有温控系统(6)，且工作台(1)顶部中心两侧对称安装有第一固定杆(13)和第二固定杆(14)，第一固定杆(13)和第二固定杆(14)顶部分别固定连接有第二偏振片(9)和第一偏振片(4)。
2.根据权利要求1所述的一种高精度激光测量装置，其特征在于：所述工作台(1)顶部两侧对称安装有第一安装杆(7)和第二安装杆(12)，且第一安装杆(7)和第二安装杆(12)顶部分别安装有第一光学准直透镜(3)和第二光学准直透镜(10)，工作台(1)顶部一侧靠近边缘位置安装有光功率计(2)。
3.根据权利要求1所述的一种高精度激光测量装置，其特征在于：所述工作台(1)底部四角位置分别安装有支撑腿(11)。
4.根据权利要求1所述的一种高精度激光测量装置，其特征在于：所述原子气室(5)包括气密外壳(501)、第一透过窗(502)、玻璃泡(503)和第二透过窗(504)，工作台(1)顶部中心安装有气密外壳(501)，且气密外壳(501)两侧中心分别固定连接有第一透过窗(502)和第二透过窗(504)，气密外壳(501)内部设置有若干玻璃泡(503)，且玻璃泡(503)种填充有原子气体。
5.根据权利要求1所述的一种高精度激光测量装置，其特征在于：所述磁场系统(8)包括磁场外壳(801)、二极磁铁(802)和螺线管(803)，工作台(1)中心两侧安装有磁场外壳(801)，且磁场外壳(801)内部一侧均匀安装有若干个螺线管(803)，磁场外壳(801)内部另一侧均匀安装有若干个二极磁铁(802)。
6.根据权利要求1所述的一种高精度激光测量装置，其特征在于：所述温控系统(6)包括热电偶温度计(601)、温控外壳(602)、高精度热敏电阻(603)和加热丝(604)，工作台(1)顶部一侧安装有温控外壳(602)，且温控外壳(602)内部底面中心固定连接有高精度热敏电阻(603)，温控外壳(602)内部一侧安装有加热丝(604)，且温控外壳(602)外壁一侧顶部安装有热电偶温度计(601)，热电偶温度计(601)与加热丝(604)通过导线电性连接。
7.一种高精度激光测量方法，包括步骤一，设备组装；步骤二，标准制定；步骤三，样品选择；步骤四，激光测量；步骤五，数据对比；其特征在于：
其中上述步骤一中，首先按照设计方案对设备进行拼接组装，工作台(1)底部安装上四条支撑腿(11)，随后将热电偶温度计(601)、高精度热敏电阻(603)和加热丝(604)安装到温控外壳(602)中，完成温控系统(6)的组装，然后将温控系统(6)安装到工作台(1)上，继而将二极磁铁(802)和螺线管(803)安装到磁场外壳(801)内部，完成磁场系统(8)的组装，随后将磁场系统(8)安装到工作台(1)上，然后在玻璃泡(503)中注入原子气体，随后将第一透过窗(502)、玻璃泡(503)和第二透过窗(504)安装到气密外壳(501)内部，完成原子气室(5)的组装，随后将原子气室(5)安装到工作台(1)，随即将光功率计(2)、第一光学准直透镜(3)、第一偏振片(4)、第一安装杆(7)、第二偏振片(9)、第二光学准直透镜(10)、第二安装杆(12)、第一固定杆(13)和第二固定杆(14)安装到工作台(1)上，从而完成设备的安装；
其中上述步骤二中，当步骤一中的设备安装完成后，进行标准制定，原子气室(5)内部气体为标准样品，原子气室(5)完成制作后，测量其透射谱与温度，磁场的关系，即I(T，B，V)，光强为温度，磁场和光频率的函数，对于每一个标准原子气室(5)可以得到这个数据库，数据库后续用作比对；
其中上述步骤三中，根据经验预估激光的频率范围，随后根据预估的评率的范围选择接近的原子气体样品，制作成相应的原子气室(5)备用；
其中上述步骤四中，当步骤三中的原子气室(5)制作完成后，待测激光依次穿过第二光学准直透镜(10)、第二偏振片(9)、原子气室(5)、第一偏振片(4)和第一光学准直透镜(3)，最后照射到光功率计(2)上，记录光功率计(2)最大值时的磁场强度和温度备用；
其中上述步骤五中，利用步骤四中记录的磁场强度和温度与相应原子气室(5)数据库进行比对，对应温度和磁场的最大光强的频率即为待测激光的频率，从而得出待测激光的频率。
8.根据权利要求7所述的一种高精度激光测量方法，其特征在于：所述步骤一中，原子气体为碱金属及碱土金属元素的气体。
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2022
- 2022-01-19 CN CN202210058065.6A patent/CN114383739A/zh active Pending
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