本發(fā)明屬于原子鐘、原子陀螺儀及原子磁力儀的量子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種原子氣室內(nèi)部緩沖氣體壓強(qiáng)的測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

原子氣室作為原子鐘、原子陀螺儀、原子磁力儀等量子技術(shù)的核心組件，其線寬、馳豫時(shí)間是最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)。氣室內(nèi)部線寬、馳豫時(shí)間主要由緩沖氣體的壓強(qiáng)及種類決定，而原子氣室充制完成后，很難在不破壞原子氣室前提下，對(duì)其內(nèi)部緩沖氣體的壓強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量和確定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種原子氣室內(nèi)部緩沖氣體壓強(qiáng)的測(cè)量裝置，解決了原子氣室在完成充制后，無(wú)法測(cè)量氣室內(nèi)部緩沖氣體壓強(qiáng)的技術(shù)難題。

本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種原子氣室內(nèi)部緩沖氣體壓強(qiáng)的測(cè)量裝置，包括：激光器、準(zhǔn)直透鏡、衰減片、偏振片、1/4波片、測(cè)量探頭、支板、激光器穩(wěn)頻模塊、微波信號(hào)源、三角波信號(hào)源及控制單元；

外圍設(shè)備為：待測(cè)的原子氣室，原子氣室內(nèi)設(shè)有堿金屬原子和需要測(cè)量壓強(qiáng)的緩沖氣體；

整體連接關(guān)系如下：激光器穩(wěn)頻模塊、微波信號(hào)源、三角波信號(hào)源及控制單元均安裝在外部的支撐結(jié)構(gòu)上；激光器、準(zhǔn)直透鏡、衰減片、偏振片、1/4波片及測(cè)量探頭依次安裝在支板上；所述測(cè)量探頭包括：保溫層、光電探測(cè)器、加熱絲、磁場(chǎng)線圈及外層屏蔽殼；所述保溫層和外層屏蔽殼均為c型支架；保溫層套裝在外層屏蔽殼的c型腔中，磁場(chǎng)線圈安裝在外層屏蔽殼內(nèi)，加熱絲安裝在保溫層的相對(duì)的兩個(gè)端面內(nèi)，光電探測(cè)器安裝在保溫層的內(nèi)底面上；原子氣室安裝在保溫層的c型腔中；

其中，所述激光器、準(zhǔn)直透鏡、衰減片、偏振片及1/4波片組成光源；激光器發(fā)出發(fā)散的激光，準(zhǔn)直透鏡將發(fā)散的激光轉(zhuǎn)換為平行光，衰減片調(diào)節(jié)平行光的光強(qiáng)，偏振片將所述平行光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振態(tài)，1/4波片將所述平行光的線偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振態(tài)；所述原子氣室位于所述圓偏振態(tài)的平行光形成的光場(chǎng)中；

所述激光器穩(wěn)頻模塊用于將激光器發(fā)出的激光的工作頻率鎖定為堿金屬原子基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷頻率，進(jìn)而鎖定激光器發(fā)出的激光的工作波長(zhǎng)；

所述微波信號(hào)源用于對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制，使激光器發(fā)出的激光為調(diào)制光譜；使所述調(diào)制光譜中的±1級(jí)邊帶與待測(cè)的原子氣室內(nèi)的緩沖氣體相互作用，產(chǎn)生電磁感應(yīng)透明信號(hào)現(xiàn)象，同時(shí)，原子氣室內(nèi)的緩沖氣體壓強(qiáng)使電磁感應(yīng)透明信號(hào)現(xiàn)象產(chǎn)生的共振頻率發(fā)生頻率偏移；

所述三角波信號(hào)源通過(guò)將微波信號(hào)源設(shè)置為掃頻模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)源的輸出信號(hào)的掃頻范圍和掃頻頻率的控制；

所述測(cè)量探頭通過(guò)磁場(chǎng)線圈為原子氣室提供設(shè)定大小的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)方向與激光器發(fā)出的激光的傳播方向相同；測(cè)量探頭通過(guò)加熱絲調(diào)節(jié)原子氣室的工作溫度；測(cè)量探頭的光電探測(cè)器通過(guò)探測(cè)原子氣室內(nèi)的透射光，將所述電磁感應(yīng)透明信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并將所述電信號(hào)傳輸給控制單元的數(shù)據(jù)采集卡；

所述控制單元包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算模塊；所述控制模塊用于控制三角波信號(hào)源輸出設(shè)定幅值和頻率的三角波、控制微波信號(hào)源輸出設(shè)定大小的微波；所述數(shù)據(jù)采集卡用于接收光電探測(cè)器的電信號(hào)，并發(fā)送到計(jì)算模塊；所述計(jì)算模塊根據(jù)接收到的電信號(hào)計(jì)算出原子氣室內(nèi)所述共振頻率發(fā)生頻率偏移的偏移量δv后，根據(jù)公式計(jì)算出緩沖氣體的壓強(qiáng)值p0；其中，β0為壓力頻移系數(shù)，δ0為壓力頻移溫度系數(shù)，δt為原子氣室的工作溫度與0℃差值。

進(jìn)一步的，所述測(cè)量探頭給原子氣室提供100mg的磁場(chǎng)及45℃的工作溫度。

進(jìn)一步的，所述激光器采用工作波長(zhǎng)為852nm的vcsel激光器。

進(jìn)一步的，所述微波信號(hào)源輸出4.596g的微波信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述三角波信號(hào)源輸出幅值為±1v、頻率為20hz的三角波。

有益效果：本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)，在不破壞原子氣室的條件下，完成原子氣室內(nèi)緩沖氣體壓強(qiáng)的測(cè)量，為原子鐘性能參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化及參數(shù)間影響機(jī)理研究提供一種精確的、有效的研究手段。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的測(cè)量探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-激光器，2-準(zhǔn)直透鏡，3-衰減片，4-偏振片，5-1/4波片，6-測(cè)量探頭，7-支板，8-激光器穩(wěn)頻模塊，9-微波信號(hào)源，10-三角波信號(hào)源，11-控制單元，12-原子氣室，13-保溫層，14-光電探測(cè)器，15-加熱絲，16-磁場(chǎng)線圈，17-外層屏蔽殼。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明提供了一種原子氣室內(nèi)部緩沖氣體壓強(qiáng)的測(cè)量裝置，參見附圖1，包括：激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、衰減片3、偏振片4、1/4波片5、測(cè)量探頭6、支板7、激光器穩(wěn)頻模塊8、微波信號(hào)源9、三角波信號(hào)源10及控制單元11；

外圍設(shè)備為：待測(cè)的原子氣室12，原子氣室12內(nèi)設(shè)有堿金屬原子和需要測(cè)量壓強(qiáng)的緩沖氣體；

整體連接關(guān)系如下：激光器穩(wěn)頻模塊8、微波信號(hào)源9、三角波信號(hào)源10及控制單元11均安裝在外部的支撐結(jié)構(gòu)上；激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、衰減片3、偏振片4、1/4波片5及測(cè)量探頭6依次安裝在支板7上；參見附圖2，所述測(cè)量探頭6包括：保溫層13、光電探測(cè)器14、加熱絲15、磁場(chǎng)線圈16及外層屏蔽殼17；所述保溫層13和外層屏蔽殼17均為c型支架；保溫層13套裝在外層屏蔽殼17的c型腔中，磁場(chǎng)線圈16安裝在外層屏蔽殼17內(nèi)，加熱絲15安裝在保溫層13相對(duì)的兩個(gè)端面內(nèi)，光電探測(cè)器14安裝在保溫層13的內(nèi)底面上；原子氣室12安裝在保溫層13的c型腔中；

其中，所述激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、衰減片3、偏振片4及1/4波片5組成光源；激光器1發(fā)出發(fā)散的激光，準(zhǔn)直透鏡2將發(fā)散的激光轉(zhuǎn)換為平行光，衰減片3調(diào)節(jié)平行光的光強(qiáng)，偏振片4將所述平行光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振態(tài)，1/4波片5將所述平行光的線偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振態(tài)；所述原子氣室12位于所述圓偏振態(tài)的平行光形成的光場(chǎng)中；

所述激光器穩(wěn)頻模塊8用于將激光器1發(fā)出的激光的工作頻率v鎖定為堿金屬原子基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷頻率；由于c＝λv，其中c為光速，是一個(gè)定值，λ為工作波長(zhǎng)；當(dāng)工作頻率v確定，激光的工作波長(zhǎng)λ也確定；

所述微波信號(hào)源9用于對(duì)激光器1進(jìn)行調(diào)制，使激光器1發(fā)出的激光為調(diào)制光譜；所述調(diào)制光譜中的±1級(jí)邊帶與待測(cè)的原子氣室12內(nèi)的緩沖氣體相互作用，產(chǎn)生電磁感應(yīng)透明信號(hào)現(xiàn)象，同時(shí)，原子氣室12內(nèi)的緩沖氣體壓強(qiáng)會(huì)使電磁感應(yīng)透明信號(hào)現(xiàn)象產(chǎn)生的共振頻率發(fā)生頻率偏移；

所述三角波信號(hào)源10通過(guò)將微波信號(hào)源9設(shè)置為掃頻模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)源9的輸出信號(hào)的掃頻范圍和掃頻頻率的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁感應(yīng)透明信號(hào)現(xiàn)象的觀測(cè)；

所述測(cè)量探頭6能夠通過(guò)磁場(chǎng)線圈16為原子氣室12提供設(shè)定大小的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)方向與激光器1發(fā)出的激光的傳播方向相同；測(cè)量探頭6能夠通過(guò)加熱絲15調(diào)節(jié)原子氣室12的工作溫度，使原子氣室12內(nèi)具有足夠量的堿金屬原子密度與所述光場(chǎng)相互作用；測(cè)量探頭6的光電探測(cè)器14通過(guò)探測(cè)原子氣室12內(nèi)的透射光，將所述電磁感應(yīng)透明信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并將所述電信號(hào)傳輸給控制單元11的數(shù)據(jù)采集卡；

所述控制單元11包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算模塊；所述控制模塊用于控制三角波信號(hào)源10輸出設(shè)定幅值和頻率的三角波、控制微波信號(hào)源9輸出設(shè)定大小的微波；所述數(shù)據(jù)采集卡用于接收光電探測(cè)器14的電信號(hào)，并發(fā)送到計(jì)算模塊；所述計(jì)算模塊根據(jù)接收到的電信號(hào)計(jì)算出原子氣室12內(nèi)所述共振頻率發(fā)生頻率偏移的偏移量δv后，根據(jù)公式計(jì)算出緩沖氣體的壓強(qiáng)值p0；式中，β0為壓力頻移系數(shù)，δ0為壓力頻移溫度系數(shù)，δt為原子氣室12的工作溫度與0℃差值。

本實(shí)施例中：

所述原子氣室12內(nèi)的堿金屬原子為銫，緩沖氣體為n2；原子氣室12的尺寸為φ10×10mm；

所述測(cè)量探頭6給原子氣室12提供100mg的磁場(chǎng)及45℃的工作溫度；

所述激光器1采用工作波長(zhǎng)為852nm的vcsel激光器；

所述激光器穩(wěn)頻模塊8將vcsel激光器的工作波長(zhǎng)鎖定到銫原子的d2線上；

所述控制單元11的控制模塊控制三角波信號(hào)源10輸出幅值為±1v、頻率為20hz的三角波、控制微波信號(hào)源9輸出4.596g的微波信號(hào)；

所述微波信號(hào)源9采用安捷倫微波信號(hào)源，型號(hào)是8257d；微波信號(hào)源9輸出的4.596g微波信號(hào)通過(guò)高頻耦合器耦合到vcsel激光器；

所述三角波信號(hào)源10采用安捷倫信號(hào)源，型號(hào)是33250a；使微波信號(hào)源9的微波信號(hào)輸出中心頻率在滿足所述共振頻率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)4.596g±150khz頻率的掃頻；

根據(jù)所述控制單元11的計(jì)算模塊計(jì)算得出所述偏移量δv為89khz，β0取值為924.7，δ0取值為0.623，δt為45，得到待測(cè)的原子氣室12內(nèi)的緩沖氣體壓強(qiáng)約為94torr。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。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)。