CN114526834A - 一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热学计量测试领域，尤其涉及一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置。所述装置包括：可调谐外腔半导体激光器、激光波长调谐与稳频器、激光功率稳定器、控温单元、数据采集器；所述控温单元内设置长光程气体池。本发明的装置，通过精密测量光学频率可实现热力学温度的量子化测量，具有较高的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及热学计量测试领域，尤其涉及一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置。
背景技术
温度是最为广泛使用的基本物理量之一，其准确测量事关科学研究、国防安全、能源环境和民生健康等领域。发展准确可靠的温度测量方法一直是热学研究的热点和难点。传统的铂电阻、热电偶、热敏电阻等次级温度计都依赖其物理性质随温度的变化关系。一方面需要经常校准，另一方面在极端环境会发生明显漂移。
随着新开尔文定义的逐步实施，ITS-90国际温标以及由此产生的繁琐量值传递体系将逐步退出历史舞台。重新定义后，与传统的测温技术相比，建立在量子物理现象之上的基于玻尔兹曼常数定义的原级测温方法将不再依赖于感温元件的电学或机械特性，不但具有最高的测量精度，而且无需计量标准来保障其准确度，有望解决航天武器装备系统中热力学温度的在线测量并可提供直接溯源至国际单位制的测量能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，通过精密测量光学频率可实现热力学温度的量子化测量。
本发明提供了一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，包括：可调谐外腔半导体激光器、激光波长调谐与稳频器、激光功率稳定器、控温单元、数据采集器；
所述控温单元内设置长光程气体池；
所述可调谐外腔半导体激光器与激光波长调谐与稳频器之间设置第一保偏光纤分束器，所述第一保偏分束器将激光分为两束，分别输入所述激光波长调谐与稳频器和保偏光纤衰减器；
所述保偏光纤衰减器依次与全光纤光调制器、第二保偏光纤分束器连接；
所述第二保偏光纤分束器将激光分为两束，分别输入激光功率稳定器和第三保偏光纤分束器；
所述激光功率稳定器分别与第二保偏光纤分束器和全光纤声光调制器连接；
所述第三保偏光纤分束器将激光分为两个光束，第一光束经第一光纤准直器和第一光电探测器进入数据采集器；第二光束经第二光纤准直器、控温单元和第二光电探测器进入数据采集器；
所述数据采集器分别与控温单元、激光波长调谐与稳频器、和可调谐外腔半导体激光器连接。
优选地，所述保偏光纤衰减器与全光纤光调制器之间还设置有第三光纤准直器。
优选地，所述第二保偏光纤分束器与激光功率稳定器之间还设置有第三光电探测器。
优选地，所述第一保偏分束器为90:10的保偏分束器，90％的光束输入所述激光波常调谐与稳频器，10％的光束输入所述保偏光纤衰减器。
优选地，所述第二保偏光纤分束器为50:50的保偏分束器，50％的光束输入所述第三光电探测器，50％的光束输入所述第三保偏光纤分束器；所述第三保偏光纤分束器为50:50的保偏分束器，50％的光束输入所述第一光纤准直器，50％的光束输入所述第二光纤准直器。
优选地，所述第一光纤准直器和第一光电探测器之间设置两个透镜。
优选地，所述第二光纤准直器与控温单元之间设置透镜，所述控温单元与第二光电探测器之间设置透镜。
优选地，所述控温单元内，保持长光程气体池处于273.15K的恒温环境。
与现有技术相比，本发明的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，不依赖于感温元件的电学或机械特性，通过精密测量光学频率可实现热力学温度的量子化测量。本发明的装置不但具有较高的测量精度，而且无需计量标准来保障其准确度，有望解决航天武器装备系统中热力学温度的在线测量并可提供直接溯源至国际单位制的测量能力。
附图说明
图1表示本发明一实施例的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置的结构示意图；
图2表示本发明另一实施例的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明的实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明的限制。
直接吸收光谱技术便是利用单色窄线宽光源单次或多次反射通过被测介质，在被测粒子两个量子态附近的光谱区域内调谐扫描激光频率，获取激光经过特征粒子吸收后的光强，该衰减特性被定义为朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，表示为
IT(v)＝I0(v)exp[-α(v)L] (1)
式中，IT(v)为透射光强；I0(v)为入射光强；α(v)为吸收系数，是特征粒子在单位光程上吸收的分数，单位cm-1；L为吸收池长度。
在热平衡状态下，特征粒子的速度分布服从麦克斯韦速度分布，线型为高斯线型，谱线的半高全宽度与热力学温度可表示为：
式中，ΔλD为谱线的半高全宽度；kB为玻尔兹曼常数1.380649×10-23s2m2kgk-1；T为热力学温度；m为特征粒子的质量；c为真空光速；v吸收峰的中心频率。
利用阿伏伽德罗常数NA、摩尔质量M＝NAm和气体常数R＝NAkB，可以将式(3)简化为：
因此，基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量属于光学测量方法，可直接实现玻尔兹曼常数或热力学温度的原级测量，不再依赖于感温元件的电学或机械特性。
本发明的实施例公开了一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，如图1所示，包括：可调谐外腔半导体激光器1、激光波长调谐与稳频器2、激光功率稳定器3、控温单元4、数据采集器5；
所述控温单元4内设置长光程气体池6；
所述可调谐外腔半导体激光器1与激光波长调谐与稳频器2之间设置第一保偏光纤分束器7，所述第一保偏分束器7将激光分为两束，分别输入所述激光波长调谐与稳频器2和保偏光纤衰减器8；
所述保偏光纤衰减器8依次与全光纤光调制器9、第二保偏光纤分束器10连接；
所述第二保偏光纤分束器10将激光分为两束，分别输入激光功率稳定器3和第三保偏光纤分束器11；
所述激光功率稳定器3分别与第二保偏光纤分束器10和全光纤声光调制器9连接；
所述第三保偏光纤分束器11将激光分为两个光路，第一光路经第一光纤准直器12和第一光电探测器13进入数据采集器5；第二光路经第二光纤准直器14、控温单元4和第二光电探测器15进入数据采集器5；
所述数据采集器5分别与控温单元5、激光波长调谐与稳频器2、和可调谐外腔半导体激光器1连接。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
如图2所示，一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，包括：可调谐外腔半导体激光器1、激光波长调谐与稳频器2、激光功率稳定器3、控温单元4、数据采集器5；
所述控温单元4内设置长光程气体池6；
所述可调谐外腔半导体激光器1与激光波长调谐与稳频器2之间设置第一保偏光纤分束器7，所述第一保偏分束器7为90:10的保偏分束器，90％的光束输入所述激光波常调谐与稳频器2，10％的光束输入所述保偏光纤衰减器8。
所述保偏光纤衰减器8依次与第三光纤准直器16、全光纤光调制器9、第二保偏光纤分束器10连接；
所述第二保偏光纤分束器10为50:50的保偏分束器，50％的光束输入所述第三光电探测器17，50％的光束输入所述第三保偏光纤分束器11；
所述第三光电探测器17与激光功率稳定器3连接，所述激光功率稳定器3与全光纤声光调制器9连接；
所述第三保偏光纤分束器11为50:50的保偏分束器，50％的光束输入所述第一光纤准直器12，50％的光束输入所述第二光纤准直器14。
所述第三保偏光纤分束器11将激光分为两个光束，第一光束经第一光纤准直器12、两个透镜和第一光电探测器13进入数据采集器5；第二光束依次经第二光纤准直器14、透镜、控温单元4、透镜和第二光电探测器15进入数据采集器5；所述控温单元4内，保持长光程气体池5处于273.15K的恒温环境。
所述数据采集器5分别与控温单元4、激光波长调谐与稳频器2、和可调谐外腔半导体激光器1连接。
可调谐外腔半导体激光器1发出的激光经偏光纤输出连续可调激光光束，其作为激发光源，用于激发碱金属原子的电子从特定的能级产生跃迁。
激光波长调谐与稳频器2，用于对可调谐外腔半导体激光器发出的激光的波长进行快速扫描并稳定激光波长到指定值。
激光功率稳定器3通过PID调节反馈控制声光调制器进行激光功率高精度稳定，消除强度噪声。
控温单元4，确保气体池处于273.15K的一个恒温环境。长光程气体池6，增加探测光光程，增大原子气体的吸收效果，提高信噪比。
数据采集器5实现光路探测和数据的实时采集。
可调谐外腔半导体激光器发出的激光经偏光纤输出连续可调激光光束，其作为激发光源，输出光连接第一保偏光纤分束器，分出两路光束，其中10％光束输入激光波长调谐及稳频器，将外腔半导体激光器的频率锁定于激光波长调谐及稳频器，实现激光器频率的准确扫描及闭环稳定；另外90％光束送入保偏光纤衰减器、第三光纤准直器，然后通过激光功率稳定器利用闭环反馈调节实现可调谐外腔半导体激光器输出光束的功率稳定。
最后将频率和功率稳定的光束经透镜准直后的零级光送入第三保偏光纤分束器，一路分束光被短焦距汇聚透镜投入第一光电探测器用于背景探测，另一路光束穿过长光程气池后投入第二光电探测器得到原子吸收光谱，通过公式计算得到平衡态下的热力学温度。
本实施例方法可行，通过光学方法精密测算吸收光谱的多普勒展宽实现热力学温度的量子化测量。
本发明的装置，不但具有最高的测量精度，而且无需计量标准来保障其准确度，有望解决航天武器装备系统中热力学温度的在线测量并可提供直接溯源至国际单位制的测量能力。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，其特征在于，包括：可调谐外腔半导体激光器(1)、激光波长调谐与稳频器(2)、激光功率稳定器(3)、控温单元(4)、数据采集器(5)；
所述控温单元(4)内设置长光程气体池(6)；
所述可调谐外腔半导体激光器(1)与激光波长调谐与稳频器(2)之间设置第一保偏光纤分束器(7)，所述第一保偏分束器(7)将激光分为两束，分别输入所述激光波长调谐与稳频器(2)和保偏光纤衰减器(8)；
所述保偏光纤衰减器(8)依次与全光纤光调制器(9)、第二保偏光纤分束器(10)连接；
所述第二保偏光纤分束器(10)将激光分为两束，分别输入激光功率稳定器(3)和第三保偏光纤分束器(11)；
所述激光功率稳定器(3)分别与第二保偏光纤分束器(10)和全光纤声光调制器(9)连接；
所述第三保偏光纤分束器(11)将激光分为两个光束，第一光束经第一光纤准直器(12)和第一光电探测器(13)进入数据采集器(5)；第二光束经第二光纤准直器(14)、控温单元(4)和第二光电探测器(15)进入数据采集器(5)；
所述数据采集器(5)分别与控温单元(4)、激光波长调谐与稳频器(2)、和可调谐外腔半导体激光器(1)连接。
2.根据权利要求1所述的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，其特征在于，所述保偏光纤衰减器(8)与全光纤光调制器(9)之间还设置有第三光纤准直器(16)。
3.根据权利要求2所述的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，其特征在于，所述第二保偏光纤分束器(10)与激光功率稳定器(3)之间还设置有第三光电探测器(17)。
4.根据权利要求2所述的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，其特征在于，所述第一保偏分束器(7)为90:10的保偏分束器，90％的光束输入所述激光波常调谐与稳频器(2)，10％的光束输入所述保偏光纤衰减器(8)。
5.根据权利要求3所述的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，其特征在于，所述第二保偏光纤分束器(10)为50:50的保偏分束器，50％的光束输入所述第三光电探测器(17)，50％的光束输入所述第三保偏光纤分束器(11)；所述第三保偏光纤分束器(11)为50:50的保偏分束器，50％的光束输入所述第一光纤准直器(12)，50％的光束输入所述第二光纤准直器(14)。
6.根据权利要求1所述的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，其特征在于，所述第一光纤准直器(12)和第一光电探测器(13)之间设置两个透镜。
7.根据权利要求1所述的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，其特征在于，所述第二光纤准直器(14)与控温单元(4)之间设置透镜，所述控温单元(4)与第二光电探测器(15)之间设置透镜。
8.根据权利要求1所述的基于碱金属原子多普勒展宽效应的热力学温度测量装置，其特征在于，所述控温单元内(4)，保持长光程气体池(5)处于273.15K的恒温环境。
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