CN114659470A - 一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置及方法 - Google Patents

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CN114659470A CN202210290307.4A CN202210290307A CN114659470A CN 114659470 A CN114659470 A CN 114659470A CN 202210290307 A CN202210290307 A CN 202210290307A CN 114659470 A CN114659470 A CN 114659470A
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Abstract

本申请公开了一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置及方法。测量方法为：利用电动位移平台系统，对探测激光与钙原子共振跃迁的辐射荧光信号进行扫描测量，得到原子束流发射路径上不同位置的钙原子分布，实现原子束流准直特性的测量，包括束流发散角α和偏转角β。测量装置包括钙原子束流真空物理系统，激光锁频光路，探测光路，斩波器，锁相放大器及相应的电控装置。本申请在已有的原子炉口准直管设计基础上，利用原子与激光相互作用的荧光信号强度测量原子束流的z向分布边界，得到原子束流发射路径上不同位置的原子分布，以突破工程应用中加工及装配的限制，进一步提高原子束流量及原子束流准直特性。

Description

一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置及方法
技术领域
本申请涉及原子频标领域，尤其涉及一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置及方法。
背景技术
在原子频标研究领域，主要研究的对象为原子微波频标和原子光频标。随着激光技术、激光冷却技术的发展，光频标的研究快速发展，指标优势显著，成为原子频标领域目前最前沿的研究方向。小型钙原子束光钟具有体积小、可搬运和潜在稳定度性能优于微波钟的优点，在光频标比对测量中具有广泛应用前景。
在钙原子束光钟实验中，原子炉经加热后，热原子蒸汽通过原子炉的准直管喷出形成原子束流。准直管用于改善原子束的角分布，减少散射到真空室内的无用原子，提高原子束的利用效率。在进入与激光的相互作用区之前，需要准直狭缝以减小原子束的发散。经过准直狭缝后，原子进入相互作用区与657nm钟激光相互作用，然后进入探测区与423nm激光相互作用，探测钟跃迁谱线信号。此外，需要另一个探测区将423nm激光的频率锁定在原子能级上。
在原子炉加热到一定温度时，原子束流量的大小影响与激光相互作用的原子数目，从而决定钟跃迁谱线信号的信噪比，影响光钟的频率稳定度。原子束流的发散会引起多普勒增宽，影响钟跃迁谱线的线宽和与激光相互作用原子的钟跃迁几率。热原子束的准直特性会影响原子的探测效率及原子的使用寿命，应尽量减小原子束的发散角及偏转角。
目前，一般通过优化原子炉口准直管的设计，提高原子束流量并降低原子束发散角。通过原子与激光相互作用的荧光信号对原子束流分布进行评估。在实际工程应用中，原子炉口准直管的加工及装配对原子束流偏转角具有显著影响，因此，亟需一种实际测量方法及装置，对原子束流准直特性进行评估，以降低加工及装配的影响，达到系统设计指标。
发明内容
本申请实施例提供一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置及方法，以解决现有技术没有一种较为完善的方案对原子束流准直特性进行评估，不能很好降低加工及装配的影响以达到系统设计指标的问题。
本申请实施例采用下述技术方案：一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置，包括物理真空系统、光学系统和电控系统，其中：
所述物理真空系统包括原子炉、原子束管、原子气室、入射光窗及探测光窗；所述物理真空系统发射的原子与所述光学系统输入的激光相互作用；
所述光学系统包括激光器、光学元器件及光电探测器；所述光学系统向物理真空系统输出激光，并向所述电控系统输出原子跃迁谱信号和荧光强度信号；
所述电控系统包括信号源、锁相放大器、计算机和电动位移平台，所述信号源、锁相放大器、计算机和电动位移平台依次电连接；所述电控系统向所述光学系统输出激光入射位置控制信号、频率锁定信号。
进一步地，所述原子炉原子出射口设置原子束管，所述原子气室包括依次设置在原子炉原子出射方向的第一气室、狭缝区、第二气室，所述入射光窗包括前入射窗、后入射窗，所述探测光窗包括前探测窗、后探测窗，所述前入射窗、前探测窗设置在第一气室上，所述后入射窗、后探测窗设置在第二气室上。
进一步地，所述光学元器件包括偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一半波片、第二半波片、第一准直器、第二准直器、整形棱镜组，所述激光器输出端设置偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜的反射光输出端设置第一反射镜，所述偏振分光棱镜的透射光输出端设置斩波器；
所述第一反射镜输出端设置第二反射镜，所述第二反射镜输出端设置第一半波片；
所述斩波器输出端设置第一准直器，所述第一准直器输出端通过保偏光纤连接第二准直器，所述第二准直器输出端连接整形棱镜组，所述整形棱镜组输出端连接第三反射镜，所述第三反射镜输出端设置第二半波片；
所述第一半波片输出的光束从物理真空系统的后入射光窗射入，所述第二半波片输出的光束从物理真空系统的前入射光窗射入。
进一步地，所述第二准直器、整形棱镜组、第三反射镜设置在电动位移平台上，所述电动位移平台输入端连接计算机。
进一步地，所述光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器；所述第一光电探测器设置在前探测窗输出口，所述第二光电探测器设置在后探测窗输出口，所述第一光电探测器输出端连接锁相放大器，所述第二光电探测器输出端连接激光器。
进一步地，所述信号源输出端还连接斩波器。
本申请还提供一种使用如上述钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置的测量方法，包括：
激光器输出光经偏振分光棱镜分为两束线偏振光，偏振分光棱镜的反射光为锁频激光，经过第一反射镜、第二反射镜和第一半波片后，从真空物理系统的后入射窗垂直入射，与钙原子相互作用，第二光电探测器在真空物理系统的后探测窗测量荧光强度信号并反馈至激光器，将激光频率锁定在原子跃迁谱线上；
偏振分光棱镜的透射光为探测光，经过斩波器、第一准直器耦合进保偏光纤，通过保偏光纤连接至电动位移平台上的第二准直器，由保偏光纤经第二准直器后出射，通过整形棱镜组、第三反射镜和第二半波片后，由真空物理系统的前入射窗垂直入射，第一光电探测器在真空物理系统的前探测窗测量荧光强度信号，第一光电探测器探测的荧光强度信号输入电控系统的锁相放大器；
计算机对锁相放大器处理后输出的荧光强度信号进行数据采集与处理，根据荧光强度信号确定原子的z向分布边界，并根据公式(1)～(4)计算原子束流纵向发散角α与偏转角β。
进一步地，所述计算机还步进调节电动位移平台的位置，通过设置步长，控制电动位移平台沿原子束出射方向、竖直方向步进移动，完成原子束流分布的扫描。
进一步地，所述信号源还向斩波器输出频率锁定信号。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本申请在已有的原子炉口准直管设计基础上，利用原子与激光相互作用的荧光信号强度测量原子束流的z向分布边界，得到原子束流发射路径上不同位置的原子分布，以突破工程应用中加工及装配的限制，进一步提高原子束流量及原子束流准直特性。本发明有利于减少热原子损失，提高热原子利用效率，增加热原子使用寿命，具有很大的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例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为钙原子能级结构图；
图2为原子炉口准直管示意图；
图3为本发明的测量装置示意图；
图4为原子束流准直特性的测量模型原理图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例1
如图3所示，一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置，包括物理真空系统、光学系统和电控系统，其中：
物理真空系统包括原子炉、原子束管、原子气室、入射光窗及探测光窗；物理真空系统发射的原子与光学系统输入的激光相互作用；其中，原子束管设置在原子炉上，原子束管为集成化的钙原子束密封管，如图1所示为钙原子能级结构图；如图3所示，原子炉后均为原子气室，沿原子出射方向分别为第一气室、狭缝区、第二气室，入射光窗及探测光窗设置在原子气室上，其中入射光窗包括前入射窗、后入射窗，探测光窗包括前探测窗、后探测窗，前入射窗、前探测窗设置在第一气室上，后入射窗、后探测窗设置在第二气室上。
光学系统包括激光器1、光学元器件及光电探测器；光学系统向物理真空系统输出激光，并向电控系统输出原子跃迁谱信号和荧光强度信号；其中，激光器1为423nm外腔半导体激光器；光学元器件包括偏振分光棱镜2、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2、第三反射镜6-3、第一半波片7-1、第二半波片7-2、第一准直器4-1、第二准直器4-2、整形棱镜组8，光电探测器为两个，包括第一光电探测器9-1、第二光电探测器9-2。
电控系统包括信号源、锁相放大器、计算机和电动位移平台10，信号源、锁相放大器、计算机和电动位移平台10依次电连接；电控系统向光学系统输出激光入射位置控制信号、频率锁定信号。
本实施例中，入射光窗包括前入射光窗、后入射光窗，探测光窗包括前探测光窗、后探测光窗。如图3所示，钙原子置于一个有入射光窗(前入射光窗A、后入射光窗B)和探测光窗(前探测光窗C、后探测光窗D)的真空系统内，原子受加热从原子炉内经炉口准直管11喷出，原子束流的纵向发散角为α，偏转角为β。原子束流经过准直狭缝后进入与激光相互作用区，并在探测光窗对辐射的荧光信号进行收集与测量。如图2所示为原子炉口准直管11的示意图。
如图3所示，激光器1输出端设置偏振分光棱镜2，偏振分光棱镜2的反射光输出端设置第一反射镜6-1，偏振分光棱镜2的透射光输出端设置斩波器3；
第一反射镜6-1输出端设置第二反射镜6-2，第二反射镜6-2输出端设置第一半波片7-1；
斩波器3输出端设置第一准直器4-1，第一准直器4-1输出端通过保偏光纤5连接第二准直器4-2，第二准直器4-2输出端连接整形棱镜组8，整形棱镜组8输出端连接第三反射镜6-3，第三反射镜6-3输出端设置第二半波片7-2；
第一半波片7-1输出的光束从物理真空系统的后入射光窗B射入，第二半波片7-2输出的光束从物理真空系统的前入射光窗A射入。
本实施例中，第二准直器4-2、整形棱镜组8、第三反射镜6-3设置在电动位移平台10上，电动位移平台10输入端连接计算机。
本实施例中，前探测光窗C输出口设置第一光电探测器9-1，后探测光窗D输出口设置第二光电探测器9-2，第一光电探测器9-1输出端连接锁相放大器，第二光电探测器9-2输出端连接激光器1。
本实施例中，信号源输出端还连接斩波器3，光学斩波器与锁相放大器配合使用，为锁相放大器提供参考信号。信号源向锁相放大器和斩波器输出同频信号，斩波器将探测光由连续光调制为固定频率的脉冲光，从而将获取的荧光电信号由直流电压转为相应频率的脉冲电压，便于信号处理。常用于微弱光信号探测，有利于抑制探测噪声，避免探测信号漂移的影响。
本装置的工作原理是：
激光器1输出光经偏振分光棱镜2分为两束线偏振光，偏振分光棱镜2的反射光为锁频激光，经过第一反射镜6-1、第二反射镜6-2和第一半波片7-1后，从真空物理系统的后入射窗B垂直入射，与钙原子相互作用，第二光电探测器9-2在探测窗口D测量荧光信号，反馈至激光器1，将激光频率锁定在原子跃迁谱线上。
PBS的透射光为探测光，经过斩波器3、第一准直器4-1耦合进保偏光纤5，并连接至电动位移平台10上的光路，由保偏光纤5经第二准直器4-2后出射，通过整形棱镜组8、第三反射镜6-3和第二半波片7-2后，由真空物理系统的前入射窗A垂直入射，且入射位置通过电动位移平台10实现沿y轴、z轴的步进调节，第一光电探测器9-1在探测窗口C测量荧光信号。
斩波器3置于探测光路中，将第一光电探测器9-1测量的荧光强度信号转化为特定频率的信号，并利用锁相放大器降低环境噪声、暗噪声、背景噪声等干扰信号的影响。利用计算机对测量的荧光信号进行数据采集与处理，同时实现电动位移平台10的步进控制。
定义激光入射方向为x轴，原子束出射方向为y轴，竖直方向为z轴，建立正交直角坐标系。对原子束流沿出射方向(y轴)不同位置上的z向分布进行测量，根据荧光信号强度确定原子的z向分布边界，并根据公式计算原子束流纵向发散角α与偏转角β，并根据原子束流的准直特性对原子炉口准直管的设计、加工及装配进行评估。根据荧光信号强度确定原子的z向分布边界，根据公式计算原子束流纵向发散角α与偏转角β，发散角α与偏转角β满足式(1)、(2)：
Figure BDA0003561565760000071
Figure BDA0003561565760000072
如图4所示，定义a处为原子炉炉口位置，b处为与原子炉相接的第一气室区域内原子束流发射路径上某一横截面位置；lab为所述a处与b处的水平距离，za为炉口处的原子束流z向分布，z1和z2分别为所述b处原子束流在垂直方向的上下沿距离炉口中心高度的距离。
实施例2
本申请实施例还提供一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置的测量方法，包括：
激光器输出光经偏振分光棱镜分为两束线偏振光，偏振分光棱镜的反射光为锁频激光，经过第一反射镜、第二反射镜和第一半波片后，从真空物理系统的后入射窗垂直入射，与钙原子相互作用，第二光电探测器在真空物理系统的后探测窗测量荧光强度信号并反馈至激光器，将激光频率锁定在原子跃迁谱线上：
偏振分光棱镜的透射光为探测光，经过斩波器、第一准直器耦合进保偏光纤，通过保偏光纤连接至电动位移平台上的第二准直器，由保偏光纤经第二准直器后出射，通过整形棱镜组、第三反射镜和第二半波片后，由真空物理系统的前入射窗垂直入射，第一光电探测器在真空物理系统的前探测窗测量荧光强度信号，第一光电探测器探测的荧光强度信号输入电控系统的锁相放大器；
计算机对锁相放大器处理后输出的荧光强度信号进行数据采集与处理，根据荧光强度信号确定原子的z向分布边界，具体为：
定义激光入射方向为x轴，原子束出射方向为y轴，竖直方向为z轴，建立正交直角坐标系。对原子束流沿出射方向(y轴)不同位置上的z向分布进行测量，根据荧光信号强度确定原子束流的z向分布边界，得到原子束流发射路径上不同位置的原子分布，并根据公式计算原子束流纵向发散角α与偏转角β，并根据原子束流的准直特性对原子炉口准直管的设计、加工及装配进行评估，发散角α与偏转角β满足式(3)、(4)：
Figure BDA0003561565760000081
Figure BDA0003561565760000082
如图4所示，定义a处为原子炉炉口位置，b处为与原子炉相接的第一气室区域内原子束流发射路径上某一横截面位置；lab为所述a处与b处的水平距离，za为炉口处的原子束流z向分布，z1和z2分别为所述b处原子束流在垂直方向的上下沿距离炉口中心高度的距离。
上述测量方法中，钙原子置于一个有入射光窗和探测光窗的真空系统内，原子受加热从原子炉内喷出，在经过入射光窗时与激光相互作用，并在探测光窗对辐射的荧光信号进行收集与测量。
上述测量方法中，423nm外腔半导体激光器出射激光经偏振分光棱镜分束，一束垂直入射到钙原子气室，与钙原子相互作用，以锁定激光频率；另一束通过保偏光纤连接到置于电动位移平台上的光路，垂直入射到钙原子气室，用于测量原子束流发散角及准直特性。具体如图3所示：
423nm外腔半导体激光器的输出激光频率与钙原子跃迁谱线共振，经分束后的稳频激光为线偏振光，经过入射角调节、偏振态调节后，从后入射窗B垂直入射到钙原子气室中与钙原子相互作用。在后探测窗D收集荧光信号，利用第二光电探测器9-2进行测量，得到钙原子的共振跃迁谱线，并负反馈至激光器1，将激光频率锁定在原子跃迁的中心频率。
423nm外腔半导体激光器的输出激光经分束后的另一束线偏振光，作为探测激光通过保偏光纤5连接到置于电动位移平台10的光路。经过整形、缩束、准直、入射角调节、偏振态调节后，从前入射窗A垂直入射到原子气室中与原子相互作用，在前探测窗C利用第一光电探测器9-1进行荧光信号收集与测量。
同时，计算机还步进调节电动位移平台的位置，通过设置步长，控制电动位移平台沿原子束出射方向、竖直方向步进移动，完成原子束流分布的扫描。具体为，计算机步进调节电动位移平台10的位置，进而调整依次通过第三反射镜6-3、第二半波片7-2入射到真空物理系统的前入射窗A的激光位置，在前入射窗A区域沿原子束出射方向、竖直方向进行扫描。当探测激光在不同位置入射时，置于前探测窗C的第一光电探测器9-1测量原子共振跃迁的辐射荧光信号强度，荧光信号强度反映了不同位置的原子束流分布。
另外，在测量系统中，利用斩波器3将光电探测器测量的荧光强度信号转化为特定频率的信号，并通过锁相放大器滤除环境噪声、暗噪声、背景噪声等干扰信号，很好保证了测量精度。
信号源还向斩波器输出频率锁定信号，光学斩波器与锁相放大器配合使用，为锁相放大器提供参考信号。信号源向锁相放大器和斩波器输出同频信号，斩波器将探测光由连续光调制为固定频率的脉冲光，从而将获取的荧光电信号由直流电压转为相应频率的脉冲电压，便于信号处理。常用于微弱光信号探测，有利于抑制探测噪声，避免探测信号漂移的影响。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置，其特征在于，包括物理真空系统、光学系统和电控系统，其中：
所述物理真空系统包括原子炉、原子束管、原子气室、入射光窗及探测光窗；所述物理真空系统发射的原子与所述光学系统输入的激光相互作用；
所述光学系统包括激光器、光学元器件及光电探测器；所述光学系统向物理真空系统输出激光，并向所述电控系统输出原子跃迁谱信号和荧光强度信号；
所述电控系统包括信号源、锁相放大器、计算机和电动位移平台，所述信号源、锁相放大器、计算机和电动位移平台依次电连接；所述电控系统向所述光学系统输出激光入射位置控制信号、频率锁定信号。
2.如权利要求1所述的一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置，其特征在于，所述原子炉原子出射口设置原子束管，所述原子气室包括依次设置在原子炉原子出射方向的第一气室、狭缝区、第二气室，所述入射光窗包括前入射窗、后入射窗，所述探测光窗包括前探测窗、后探测窗，所述前入射窗、前探测窗设置在第一气室上，所述后入射窗、后探测窗设置在第二气室上。
3.如权利要求1所述的一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置，其特征在于，所述光学元器件包括偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一半波片、第二半波片、第一准直器、第二准直器、整形棱镜组，所述激光器输出端设置偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜的反射光输出端设置第一反射镜，所述偏振分光棱镜的透射光输出端设置斩波器；
所述第一反射镜输出端设置第二反射镜，所述第二反射镜输出端设置第一半波片；
所述斩波器输出端设置第一准直器，所述第一准直器输出端通过保偏光纤连接第二准直器，所述第二准直器输出端连接整形棱镜组，所述整形棱镜组输出端连接第三反射镜，所述第三反射镜输出端设置第二半波片；
所述第一半波片输出的光束从物理真空系统的后入射光窗射入，所述第二半波片输出的光束从物理真空系统的前入射光窗射入。
4.如权利要求3所述的一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置，其特征在于，所述第二准直器、整形棱镜组、第三反射镜设置在电动位移平台上，所述电动位移平台输入端连接计算机。
5.如权利要求1所述的一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置，其特征在于，所述光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器；所述第一光电探测器设置在前探测窗输出口，所述第二光电探测器设置在后探测窗输出口，所述第一光电探测器输出端连接锁相放大器，所述第二光电探测器输出端连接激光器。
6.如权利要求1所述的一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量装置，其特征在于，所述信号源输出端还连接斩波器。
7.一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量方法，其特征在于，包括：
激光器输出光经偏振分光棱镜分为两束线偏振光，偏振分光棱镜的反射光为锁频激光，经过第一反射镜、第二反射镜和第一半波片后，从真空物理系统的后入射窗垂直入射，与钙原子相互作用，第二光电探测器在真空物理系统的后探测窗测量荧光强度信号并反馈至激光器，将激光频率锁定在原子跃迁谱线上；
偏振分光棱镜的透射光为探测光，经过斩波器、第一准直器耦合进保偏光纤，通过保偏光纤连接至电动位移平台上的第二准直器，由保偏光纤经第二准直器后出射，通过整形棱镜组、第三反射镜和第二半波片后，由真空物理系统的前入射窗垂直入射，第一光电探测器在真空物理系统的前探测窗测量荧光强度信号，第一光电探测器探测的荧光强度信号输入电控系统的锁相放大器；
计算机对锁相放大器处理后输出的荧光强度信号进行数据采集与处理，根据荧光强度信号确定原子的z向分布边界，计算原子束流纵向发散角α与偏转角β。
8.如权利要求7所述的一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量方法，其特征在于，根据公式计算原子束流纵向发散角α与偏转角β，发散角α与偏转角β满足：
Figure FDA0003561565750000031
Figure FDA0003561565750000032
其中，定义a处为原子炉炉口位置，b处为与原子炉相接的第一气室区域内原子束流发射路径上某一横截面位置；lab为所述a处与b处的水平距离，Za为炉口处的原子束流z向分布，z1和z2分别为所述b处原子束流在垂直方向的上下沿距离炉口中心高度的距离。
9.如权利要求7所述的一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量方法，其特征在于，所述计算机还步进调节电动位移平台的位置，通过设置步长，控制电动位移平台沿原子束出射方向、竖直方向步进移动，完成原子束流分布的扫描。
10.如权利要求7所述的一种钙原子束光钟的原子束流准直特性的测量方法，其特征在于，所述信号源还向斩波器输出频率锁定信号。
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