專(zhuān)利名稱(chēng)：原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子頻標(biāo)領(lǐng)域，特別涉及一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置和方法。
背景技術(shù)：
塞曼效應(yīng)是原子在外部磁場(chǎng)作用下，能級(jí)發(fā)生 分裂的現(xiàn)象。在原子發(fā)生塞曼效應(yīng)后，基態(tài)的超精細(xì)能級(jí)之間的躍遷頻率被稱(chēng)為原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。隨著銣原子頻標(biāo)的廣泛應(yīng)用，通常需對(duì)銣原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率進(jìn)行測(cè)量，以作為原子鐘量子鑒頻參考頻率值?，F(xiàn)有測(cè)量銣原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的方法包括將充以87Rb的玻璃泡置入一個(gè)加有磁場(chǎng)的微波諧振腔內(nèi)，將腔的共振頻率調(diào)整在87Rb基態(tài)相應(yīng)超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率上，然后通過(guò)微波檢測(cè)裝置獲得87Rb的吸收譜線(xiàn)，根據(jù)該吸收譜線(xiàn)可得到銣原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問(wèn)題由于氣態(tài)87Rb粒子數(shù)密度小，使用現(xiàn)有的測(cè)量方法在常溫時(shí)得到的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間的粒子數(shù)差是非常小的，所以得到的原子吸收譜線(xiàn)非常微弱，根據(jù)該吸收譜線(xiàn)所測(cè)量的銣原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率存在一定誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高測(cè)量塞曼頻率的精確度，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置和方法。所述技術(shù)方案如下—種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置，所述裝置包括光輻射模塊，用于使原子產(chǎn)生輻射光，所述輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分；過(guò)濾模塊，用于采用所述原子的同位素濾除所述兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的輻射光；分裂躍遷模塊，用于在所述過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中的原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷，所述微波腔中的原子與所述光輻射模塊中的原子為同一種原子；光檢模塊，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)透過(guò)所述分裂躍遷模塊的輻射光的強(qiáng)度，并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào);主控計(jì)算模塊，用于為所述微波腔提供所述射頻信號(hào)，根據(jù)所述射頻信號(hào)與所述光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到所述原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)所述吸收譜線(xiàn)計(jì)算所述原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。具體地，所述光輻射模塊為87Rb光譜燈；所述過(guò)濾模塊為85Rb濾光泡；所述分裂躍遷模塊包括所述微波腔和放置在所述微波腔內(nèi)的87Rb吸收泡；所述微波腔外繞制產(chǎn)生所述磁場(chǎng)的通電線(xiàn)圈。
其中，所述主控計(jì)算模塊具體包括射頻信號(hào)產(chǎn)生單元，用于輸出并記錄所述射頻信號(hào)；電流產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生電流以控制所述磁場(chǎng)的大小；采樣單元，用于根據(jù)輸出所述射頻信號(hào)的時(shí)序?qū)λ龉鈴?qiáng)信號(hào)進(jìn)行采樣并記錄，使所述光強(qiáng)信號(hào)與所述射頻信號(hào)一一對(duì)應(yīng)；計(jì)算單元，用于根據(jù)所述光強(qiáng)信號(hào)與所述 射頻信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到所述原子對(duì)應(yīng)的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)所述吸收譜線(xiàn)計(jì)算并顯示計(jì)算出的所述的原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。具體地，所述射頻信號(hào)產(chǎn)生單元為掃頻儀。一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量方法，所述方法包括使原子產(chǎn)生輻射光，所述輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分；采用所述原子的同位素濾除所述兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的輻射光；在所述過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷，所述微波腔中的原子與產(chǎn)生輻射光的原子為同一種原子；實(shí)時(shí)檢測(cè)透過(guò)所述微波腔的輻射光的強(qiáng)度，并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào)；根據(jù)所述射頻信號(hào)與所述光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到所述原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)所述吸收譜線(xiàn)計(jì)算所述原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。其中，所述根據(jù)所述吸收譜線(xiàn)計(jì)算所述原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率，包括在所述吸收譜線(xiàn)中，分別獲取最小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的所述射頻信號(hào)的頻率值、以及次小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的所述射頻信號(hào)的頻率值；計(jì)算最小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值與次小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值之間的差值，得到所述原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。具體地，所述射頻信號(hào)的變化范圍為6832. 6875MHz 6836. 6875MHz，步長(zhǎng)為500Hz。具體地，所述磁場(chǎng)的大小在IOOmG以?xún)?nèi)。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是通過(guò)利用原子同位素之間能級(jí)躍遷頻率相近，采用原子的同位素濾除原子兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)；將濾除了兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分的原子的輻射光照射微波腔中原子，并通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使原子發(fā)生分裂和共振躍遷，增加了原子超精細(xì)能級(jí)之間的粒子差；可以獲得較強(qiáng)的光強(qiáng)信號(hào)，減小測(cè)量塞曼頻率的誤差，提高測(cè)量塞曼頻率的精確度。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發(fā)明實(shí)施例I中提供的一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置的示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例2中提供的一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置的示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中提供的87Rb原子能級(jí)的示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中提供的85Rb原子能級(jí)的示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中提供的87Rb的Dl線(xiàn)的a、b線(xiàn)與85Rb的Dl線(xiàn)的A、B線(xiàn)的相對(duì)位置的不意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例2中提供的過(guò)濾后的 輻射光中超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分的示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例2中提供的吸收譜線(xiàn)的示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。實(shí)施例I參見(jiàn)圖1，本發(fā)明實(shí)施例I提供了一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置，該裝置包括光輻射模塊101、過(guò)濾模塊102、分裂躍遷模塊103、光檢模塊104和主控計(jì)算模塊105。光輻射模塊101，用于使原子產(chǎn)生輻射光，該輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分。過(guò)濾模塊102，用于采用原子的同位素濾除兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的福射光。分裂躍遷模塊103，用于在過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷。其中，微波腔中原子與光福射模塊101中的原子為同一種原子。光檢模塊104,用于實(shí)時(shí)檢測(cè)透過(guò)分裂躍遷模塊103的福射光的強(qiáng)度,并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào)。主控計(jì)算模塊105，用于為微波腔提供射頻信號(hào)，根據(jù)射頻信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)吸收譜線(xiàn)計(jì)算原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。其中，分裂躍遷模塊103分別與光檢模塊104和主控計(jì)算模塊105連接。具體地，光輻射模塊101可以是87Rb光譜燈；過(guò)濾模塊102可以是85Rb濾光泡；分裂躍遷模塊103包括微波腔和放置在微波腔內(nèi)的87Rb吸收泡；該微波腔外繞制產(chǎn)生磁場(chǎng)的通電線(xiàn)圈。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是通過(guò)利用原子同位素之間能級(jí)躍遷頻率相近，采用原子的同位素濾除原子兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)；將濾除了兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分的原子的輻射光照射微波腔中原子，并通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使原子發(fā)生分裂和共振躍遷，增加了原子超精細(xì)能級(jí)之間的粒子差；可以獲得較強(qiáng)的光強(qiáng)信號(hào)，減小測(cè)量塞曼頻率的誤差，提高測(cè)量塞曼頻率的精確度。實(shí)施例2參見(jiàn)圖2，本發(fā)明實(shí)施例2以87Rb原子為例，提供了一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置，該裝置包括光輻射模塊201、過(guò)濾模塊202、分裂躍遷模塊203、光檢模塊204和主控計(jì)算模塊205。其中，分裂躍遷模塊203分別與光檢模塊204和主控計(jì)算模塊205連接。光輻射模塊201，用于使原子產(chǎn)生輻射光，該輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分。其中，該兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分分別為，銣 原子的激發(fā)態(tài)與基態(tài)中較高的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷譜線(xiàn)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分、以及銣原子的激發(fā)態(tài)與基態(tài)中較低的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷譜線(xiàn)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分。在本發(fā)明實(shí)施例2中，設(shè)定銣原子的激發(fā)態(tài)與基態(tài)中高超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷譜線(xiàn)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分、以及銣原子的激發(fā)態(tài)與基態(tài)中低超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷譜線(xiàn)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分分別為a線(xiàn)和b線(xiàn)。具體地,光福射模塊201用于產(chǎn)生87Rb原子的福射光。具體地，光福射模塊201為87Rb光譜燈。7Rb光譜燈制成透明玻璃形狀；其中充入相應(yīng)的發(fā)光用87Rb蒸氣和方便啟輝的Kr或Ar惰性氣體。過(guò)濾模塊202，用于采用原子的同位素濾除兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的福射光。其中，將光輻射模塊201中87Rb原子的輻射光照射過(guò)濾模塊202中85Rb,得到濾除兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)的87Rb原子的輻射光。具體地，被濾除的兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)為a線(xiàn)。另外，過(guò)濾單元2012為85Rb吸收泡。該85Rb吸收泡制成透明玻璃形狀，其中充入87Rb原子的同位素85Rb。眾所周知，87Rb原子(原子序數(shù)37)有原子量分別為85和87的兩種同位素。由于光福射模塊201選用了 87Rb蒸氣，故在過(guò)濾模塊202中充入85Rb原子。進(jìn)一步地，87Rb為堿金屬，只有一個(gè)價(jià)電子。參見(jiàn)圖3，87Rb原子的基態(tài)為52S1/2態(tài)。87Rb原子的基態(tài)能級(jí)中，|F=2, mF=0>和IF=I, mF=0>,這兩個(gè)能級(jí)之間躍遷頻率的精確值為6834. 68XXXXMHZ (外磁場(chǎng)H=O)，后四位數(shù)字由磁場(chǎng)和集成濾光共振泡中的緩沖氣體的微擾確定。這也就是所謂的銣原子頻標(biāo)量子鑒頻參考頻率值。87Rb的第一激發(fā)態(tài)有兩個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)52P3/2和52P1/2，這兩個(gè)能級(jí)的超精細(xì)分裂較基態(tài)小，分別為840MHz (F=3與F=O)和430MHz (F=2與F=I)。由于多普勒展寬與此分裂值差不多，故激發(fā)態(tài)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)法分辨。因此87Rb原子的第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的躍遷譜線(xiàn)只包括D1和D2線(xiàn)中兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分a線(xiàn)和b線(xiàn)。參見(jiàn)圖4，85Rb原子的基態(tài)52P1/2能級(jí)分成兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)F=3和F=2，這兩個(gè)能級(jí)之間躍遷頻率大約為3036MHz。它的光譜同樣也有D1線(xiàn)(79474)和D2線(xiàn)(7800A)且每條線(xiàn)同樣包括兩個(gè)超精細(xì)成分A線(xiàn)和B線(xiàn)。參見(jiàn)圖5 圖6，a線(xiàn)、A線(xiàn)相距較近，b線(xiàn)、B線(xiàn)相距較遠(yuǎn),故當(dāng)87Rb輻射光經(jīng)過(guò)濾光單元2012中85Rb濾光后，輻射光的Dp D2線(xiàn)中的a線(xiàn)被濾掉，基本上只會(huì)剩下b、B兩條線(xiàn)。分裂躍遷模塊203，用于在過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷。其中，微波腔中原子與光福射模塊101中的原子為同一種原子。進(jìn)一步地，微波腔內(nèi)充有87Rb原子和惰性氣體。該微波腔外繞制能產(chǎn)生磁場(chǎng)的通電線(xiàn)圈?？蛇x地，通電線(xiàn)圈可由螺旋管繞制。微波腔內(nèi)的87Rb原子在磁場(chǎng)作用下，基態(tài)將發(fā)生分裂，得到基態(tài)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。在過(guò)濾掉a線(xiàn)的輻射光照射下，基態(tài)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)將被b線(xiàn)抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)。而在射頻信號(hào)的作用下，基態(tài)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)之間將發(fā)生共振躍遷。具體地，過(guò)濾掉a線(xiàn)的87Rb原子的輻射光到達(dá)微波腔后，微波腔中的87Rb原子若處在基態(tài)F=I的能級(jí)上就會(huì)被b線(xiàn)抽運(yùn)到52P3/2或52P1/2能級(jí)上去，但激發(fā)態(tài)壽命很短，它們很快又會(huì)自發(fā)輻射返回基態(tài)。由于在激發(fā)態(tài)期間，碰撞使得激發(fā)態(tài)充分混雜，返回基態(tài)時(shí)落到F=2能級(jí)及F=I能級(jí)的幾率可視為相等。但由于b線(xiàn)輻射光的存在，原子只要落到F=I能級(jí)上又會(huì)被抽運(yùn)到52P3/2或52P1/2能級(jí)上去；而由于沒(méi)有輻射光的激發(fā)，落在F=2能級(jí)上的原子停在這個(gè)能級(jí)上。最后結(jié)果必然是把原子全部抽運(yùn)到F=2能級(jí)上(實(shí)際是全部的原子均勻分布在F=2的超精細(xì)結(jié)構(gòu)mF五個(gè)能級(jí)上，每個(gè)子能級(jí) 的原子數(shù)是全部原子數(shù)的1/5)，F(xiàn) = I的能級(jí)被抽空。這樣，F(xiàn)=2和F=I能級(jí)經(jīng)過(guò)福射光的作用,粒子數(shù)差增加了。當(dāng)微波腔中87Rb原子的F=I的三個(gè)塞曼子能級(jí)被抽空以后，87Rb原子就不再吸收輻射光了。也就是說(shuō)，當(dāng)輻射光剛開(kāi)始照到87Rb原子微波腔時(shí)就會(huì)被87Rb吸收，但一旦F=I能級(jí)已被抽空，則不再被吸收，即達(dá)到平衡后，微波腔中87Rb對(duì)輻射光是透明的。這時(shí)在微波腔加上頻率與原子躍遷頻率相同的射頻信號(hào)，讓原子在|F=2, mF=0>和|F=1, mF=0>這兩個(gè)能級(jí)間發(fā)生磁共振，這樣就有一部分原子從|F=2，mF=0>躍遷到|F=1，mF=0>能級(jí)上。只要有一個(gè)原子輻射一個(gè)微波量子的能量躍遷到|F=l，mF=0>能級(jí)上，就馬上又會(huì)吸收一個(gè)光量子的能量被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，從而使得通過(guò)微波腔的輻射光光強(qiáng)變?nèi)酢９鈾z模塊204,用于實(shí)時(shí)檢測(cè)透過(guò)分裂躍遷模塊203的福射光的光強(qiáng),并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào)。具體地，光檢模塊204包括但不限于為光電池、放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的電路。光電池設(shè)置在前述微波腔的底部，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和記錄輻射光的光強(qiáng)，并產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至放大電路；放大電路用于將光電池的檢測(cè)信號(hào)放大后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將放大后的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)信號(hào)。主控計(jì)算模塊205，用于為微波腔提供射頻信號(hào)，根據(jù)射頻信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)吸收譜線(xiàn)計(jì)算原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。進(jìn)一步地，主控模塊205包括射頻信號(hào)產(chǎn)生單元2051、電流產(chǎn)生單元2052、采樣單元2053和計(jì)算單元2054。其中，射頻信號(hào)產(chǎn)生單元2051分別與分裂躍遷模塊203和計(jì)算單元2054連接；電流產(chǎn)生單元2052分別與分裂躍遷模塊203和計(jì)算單元2054連接；采樣單元2053分別與光檢模塊204和計(jì)算單元2054連接。其中，射頻信號(hào)產(chǎn)生單元2051用于輸出并記錄射頻信號(hào)。進(jìn)一步地，射頻信號(hào)產(chǎn)生單元2051包括但不限于為掃頻儀。其中，電流產(chǎn)生單元2052用于產(chǎn)生電流以控制磁場(chǎng)的大小。具體地，電流產(chǎn)生單元2052產(chǎn)生并控制用螺旋管繞制線(xiàn)圈中的電流大小，進(jìn)而控制磁場(chǎng)大小，并保持恒定。其中，采樣單元2053用于根據(jù)射頻信號(hào)產(chǎn)生單元2051控制射頻信號(hào)的時(shí)序?qū)鈾z模塊204輸出的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行采樣并記錄，使光強(qiáng)信號(hào)與射頻信號(hào)一一對(duì)應(yīng)。其中，計(jì)算單元2054用于根據(jù)采樣的光強(qiáng)信號(hào)與射頻信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到對(duì)應(yīng)的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)吸收譜線(xiàn)計(jì)算并顯示計(jì)算出的原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼塞曼頻率。具體地，參見(jiàn)圖7，縱坐標(biāo)表示了采樣的光強(qiáng)信號(hào)，即采樣大小，單位為伏特；橫坐標(biāo)表示了掃描點(diǎn)數(shù)，即射頻信號(hào)產(chǎn)生單元2051記錄的輸出變化頻率的點(diǎn)數(shù)。其中，塞曼頻率定義為吸收譜線(xiàn)中峰I、峰2或者峰I、峰3間的頻差，即最小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值與次小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值之間的差值。具體地，由于射頻信號(hào)產(chǎn)生單元2051輸出的頻率信號(hào)變化步進(jìn)長(zhǎng)度是不變的，故可以通過(guò)計(jì)算峰I、峰2或者峰I、峰3之間的點(diǎn)數(shù)，即可求出塞曼頻率的值。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益 效果是通過(guò)利用原子同位素之間能級(jí)躍遷頻率相近，采用原子的同位素濾除原子兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)；將濾除了兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分的原子的輻射光照射微波腔中原子，并通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使原子發(fā)生分裂和共振躍遷，增加了原子超精細(xì)能級(jí)之間的粒子差；可以獲得較強(qiáng)的光強(qiáng)信號(hào)，減小測(cè)量塞曼頻率的誤差，提高測(cè)量塞曼頻率的精確度。實(shí)施例3本發(fā)明實(shí)施例3提供了一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量方法，具體包括301 :使原子產(chǎn)生輻射光，該輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分。302:采用原子的同位素濾除兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的輻射光。303:在過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷。其中，微波腔中的原子與產(chǎn)生輻射光的原子為同一種原子。304 :用于實(shí)時(shí)檢測(cè)透過(guò)微波腔的輻射光的強(qiáng)度，并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào)。305:根據(jù)射頻信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)吸收譜線(xiàn)獲取原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)利用原子同位素能級(jí)躍遷頻率相近，使原子基態(tài)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生抽運(yùn)，增加能級(jí)之間的粒子差；可以獲得較強(qiáng)的光強(qiáng)信號(hào)，減小測(cè)量塞曼頻率的誤差，提高測(cè)量塞曼頻率的精確度。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是通過(guò)利用原子同位素之間能級(jí)躍遷頻率相近，采用原子的同位素濾除原子兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)；將濾除了兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分的原子的輻射光照射微波腔中原子，并通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使原子發(fā)生分裂和共振躍遷，增加了原子超精細(xì)能級(jí)之間的粒子差；可以獲得較強(qiáng)的光強(qiáng)信號(hào)，減小測(cè)量塞曼頻率的誤差，提高測(cè)量塞曼頻率的精確度。實(shí)施例4本發(fā)明實(shí)施例4以87Rb原子為例，提供了一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量方法，具體包括401 :使原子產(chǎn)生輻射光，該輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分。其中，該兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分分別為，銣原子的激發(fā)態(tài)與基態(tài)中較高的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷譜線(xiàn)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分、以及銣原子的激發(fā)態(tài)與基態(tài)中較低的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷譜線(xiàn)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分。在本發(fā)明實(shí)施例4中，設(shè)定銣原子的激發(fā)態(tài)與基態(tài)中較高的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷譜線(xiàn)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分、以及銣原子的激發(fā)態(tài)與基態(tài)中較低的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷譜線(xiàn)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分分別為a線(xiàn)和b線(xiàn)。具體地，可使用87Rb蒸氣和方便啟輝的Kr或Ar惰性氣體產(chǎn)生銣原子的輻射光。402:采用原子的同位素濾除兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的輻射光。
其中，將銣原子的輻射光照射銣原子的同位素，得到過(guò)濾掉a線(xiàn)的銣原子的輻射光，輻射光中剩下b線(xiàn)。403:在過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷。其中，微波腔中的原子與產(chǎn)生輻射光的原子為同一種原子。其中，首先，在微波腔中充入87Rb銣原子 和惰性氣體；然后，為微波腔提供用于分裂的磁場(chǎng)，使微波腔中的87Rb原子基態(tài)分裂為基態(tài)的超精細(xì)能級(jí)；其次，當(dāng)過(guò)濾后的輻射光照射加了磁場(chǎng)中的微波腔，將使微波腔中87Rb原子基態(tài)中與b線(xiàn)對(duì)應(yīng)的超精細(xì)能級(jí)發(fā)生抽運(yùn)；最后，為微波腔輸入與銣原子的躍遷頻率相同的射頻信號(hào)，使銣原子基態(tài)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)在射頻信號(hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生共振躍遷。具體地，射頻信號(hào)的變化范圍為6832. 6875MHz 6836. 6875MHz，步長(zhǎng)為500Hz。磁場(chǎng)的大小在IOOmG以?xún)?nèi)。404 :用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和記錄透過(guò)微波腔的輻射光的強(qiáng)度，并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào)。具體地，可由光電池檢測(cè)輻射光的光強(qiáng)，并將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至放大電路；放大電路將檢測(cè)信號(hào)放大后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將放大后的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)信號(hào)。405:根據(jù)射頻信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)吸收譜線(xiàn)計(jì)算原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。進(jìn)一步地,本步驟包括4051 :在吸收譜線(xiàn)中，分別獲取最小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值、以及次小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值。具體地，參見(jiàn)圖7，最小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值為吸收譜線(xiàn)中峰I對(duì)應(yīng)的頻率值；次小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值為吸收譜線(xiàn)中峰2或峰3對(duì)應(yīng)的頻率值。4052:計(jì)算最小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值與次小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值之間的差值，得到原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。具體地，計(jì)算吸收譜線(xiàn)中峰I、峰2或者峰I、峰3間的頻差，即得到原子的基態(tài)超
精細(xì)塞曼頻率。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是通過(guò)利用原子同位素之間能級(jí)躍遷頻率相近，采用原子的同位素濾除原子兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)；將濾除了兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分的原子的輻射光照射微波腔中原子，并通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使原子發(fā)生分裂和共振躍遷，增加了原子超精細(xì)能級(jí)之間的粒子差；可以獲得較強(qiáng)的光強(qiáng)信號(hào)，減小測(cè)量塞曼頻率的誤差，提高測(cè)量塞曼頻率的精確度。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置，其特征在于，所述裝置包括 光輻射模塊，用于使原子產(chǎn)生輻射光，所述輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分； 過(guò)濾模塊，用于采用所述原子的同位素濾除所述兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的福射光； 分裂躍遷模塊，用于在所述過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中的原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷，所述微波腔中的原子與所述光輻射模塊中的原子為同一種原子；光檢模塊，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)透過(guò)所述分裂躍遷模塊的輻射光的強(qiáng)度，并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào)；主控計(jì)算模塊，用于為所述微波腔提供所述射頻信號(hào)，根據(jù)所述射頻信號(hào)與所述光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到所述原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)所述吸收譜線(xiàn)計(jì)算所述原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述光輻射模塊為87Rb光譜燈；所述過(guò)濾模塊為85Rb濾光泡；所述分裂躍遷模塊包括所述微波腔和放置在所述微波腔內(nèi)的87Rb吸收泡；所述微波腔外繞制產(chǎn)生所述磁場(chǎng)的通電線(xiàn)圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述主控計(jì)算模塊具體包括 射頻信號(hào)產(chǎn)生單元，用于輸出并記錄所述射頻信號(hào)； 電流產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生電流以控制所述磁場(chǎng)的大??； 采樣單元，用于根據(jù)輸出所述射頻信號(hào)的時(shí)序?qū)λ龉鈴?qiáng)信號(hào)進(jìn)行采樣并記錄，使所述光強(qiáng)信號(hào)與所述射頻信號(hào)對(duì)應(yīng)； 計(jì)算單元，用于根據(jù)所述光強(qiáng)信號(hào)與所述射頻信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到所述原子對(duì)應(yīng)的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)所述吸收譜線(xiàn)計(jì)算并顯示計(jì)算出的所述的原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述射頻信號(hào)產(chǎn)生單元為掃頻儀。
5.一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括 使原子產(chǎn)生輻射光，所述輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分； 采用所述原子的同位素濾除所述兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的輻射光; 在所述過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷，所述微波腔中的原子與產(chǎn)生輻射光的原子為同一種原子； 實(shí)時(shí)檢測(cè)透過(guò)所述微波腔的輻射光的強(qiáng)度，并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào)； 根據(jù)所述射頻信號(hào)與所述光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到所述原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)所述吸收譜線(xiàn)計(jì)算所述原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述吸收譜線(xiàn)計(jì)算所述原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率，包括 在所述吸收譜線(xiàn)中，分別獲取最小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的所述射頻信號(hào)的頻率值、以及次小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的所述射頻信號(hào)的頻率值； 計(jì)算最小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值與次小的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)的頻率值之間的差值，得到所述原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述射頻信號(hào)的變化范圍為.6832. 6875MHz 6836. 6875MHz，步長(zhǎng)為 500Hz。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述磁場(chǎng)的大小在IOOmG以?xún)?nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種原子基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率的測(cè)量裝置和方法，屬于原子頻標(biāo)領(lǐng)域。裝置光輻射模塊，用于使原子產(chǎn)生輻射光，輻射光的譜線(xiàn)包括兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分；過(guò)濾模塊，用于采用原子的同位素濾除兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)成分中的一個(gè)，得到過(guò)濾后的輻射光；分裂躍遷模塊，用于在過(guò)濾后的輻射光的照射下，通過(guò)磁場(chǎng)和射頻信號(hào)的作用，使微波腔中的原子發(fā)生分裂并產(chǎn)生共振躍遷，微波腔中的原子與光輻射模塊中的原子為同一種原子；光檢模塊，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)透過(guò)分裂躍遷模塊的輻射光的強(qiáng)度，并產(chǎn)生光強(qiáng)信號(hào)；主控計(jì)算模塊，用于為微波腔提供射頻信號(hào)，根據(jù)射頻信號(hào)與光強(qiáng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到原子的吸收譜線(xiàn)，并根據(jù)吸收譜線(xiàn)計(jì)算原子的基態(tài)超精細(xì)塞曼頻率。
文檔編號(hào)G01R23/02GK102788900SQ20121027029
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者雷海東 申請(qǐng)人:江漢大學(xué)