一種基于混合光抽運的原子密度精確測量方法與流程

本發明涉及一種基于混合光抽運的原子密度精確測量方法，可應用于基于混合光抽運的原子磁強計、原子自旋陀螺儀等儀器中所采用堿金屬氣室中堿金屬原子密度的精確測量。

背景技術：

堿金屬氣室是原子磁強計、原子陀螺儀等量子測量儀器的核心敏感器件。堿金屬原子密度測量可以為serf原子陀螺儀和磁強計極化率閉環提供支撐；為serf慣性和磁場測量裝置弛豫機理提供基礎保障；為serf裝置、樣機靈敏度和漂移優化提供研究基礎。因此，提出一種基于混合光抽運的原子密度精確測量方法具有重要意義。

現有的經驗公式法根據堿金屬氣室的溫度推算堿金屬蒸氣的原子密度，具有簡單便捷的優點，但受溫度測量精度限制混合抽運無法使用；光學吸收法根據光通過氣室的衰減程度推算原子密度，相對簡單、精度較高，但serf態下共振頻率附近吸收光強測量精度差；光旋角法根據激光通過堿金屬蒸氣時產生的光學偏轉角推算堿金屬蒸氣的原子密度，精度較高，但需要外加磁場，無法測量。

技術實現要素：

本發明解決的問題是：克服現有常規方法的不足，提供一種基于混合光抽運的原子密度精確測量方法，提高了氣室內堿金屬原子密度的測量精度。

本發明的技術解決方案為：提出一種在啟動溫度精確測量兩種堿金屬原子的摩爾分數，在工作溫度精確測量較低密度的堿金屬原子密度，在工作溫度精確推算較高密度的堿金屬原子密度的方法，實現基于混合光抽運的堿金屬原子密度精確測量。以基于k-rb-²¹ne的原子陀螺儀為例。首先，將充有k、rb兩種堿金屬原子的堿金屬氣室加熱到較低的啟動溫度，分別測得兩種堿金屬原子的激光吸收光譜；對測得的譜線通過理論公式進行擬合并計算，得到啟動溫度下兩種堿金屬原子的摩爾分數比；將堿金屬氣室加熱至工作溫度，由于在serf態下共振點附近，rb原子密度很大，吸收十分強烈，通過曲線擬合獲得rb原子密度存在較大的偏差，因此先通過光譜吸收法得到k原子的密度；結合兩種堿金屬原子的摩爾分數，通過拉烏爾(raoult’slaw)定律，得到工作溫度下rb原子的密度。本發明適用于傳統的飽和吸收光譜在原子數密度很大，即堿金屬氣室處于工作溫度時，在共振峰兩側很大的范圍吸收很強，很難通過曲線擬合得到密度的準確值的情況，可以實現混合光抽運下兩種堿金屬原子密度的精確測量。可應用于基于混合光抽運的原子磁強計、原子自旋陀螺儀等儀器中所采用堿金屬氣室中堿金屬原子密度的精確測量。

如圖1所示，本發明實現方法及步驟如下：

(1)加熱充有k、rb堿金屬原子的氣室至較低的啟動溫度t1，啟動溫度t1范圍為100-120℃；

(2)采用波長調諧范圍在k、rb原子d1線附近的分布式布拉格反射激光器dbrl，將dbr激光器輸出的激光照射于堿金屬氣室并進行掃頻，測量不同頻率入射激光的透過率，從而計算出k、rb兩種堿金屬原子的光學深度曲線，然后對光學深度曲線進行洛倫茲函數擬合，獲得k、rb堿金屬原子光學深度曲線的壓力展寬γk_t1、γrb_t1，進而得到k、rb堿金屬原子吸收截面積最大值σmax_k_t1、σmax_rb_t1，計算k、rb堿金屬原子吸收截面積的公式分別如下：

σmax_k_t1＝2/πγk_t1

σmax_rb_t1＝2/πγrb_t1

(3)利用密度與光學深度最大值odmax_k_t1、odmax_rb_t1、吸收截面最大值σmax_k_t1、σmax_rb_t1和氣室長度l的關系，分別得到較低的啟動溫度t1下兩種堿金屬原子密度，計算k、rb堿金屬原子密度nk_t1、nrb_t1的公式如下：

其中，nk_t1、nrb_t1分別為啟動溫度t1下堿金屬氣室中k、rb原子的密度；odmax_k_t1、odmax_rb_t1為k、rb原子的光學深度最大值；σmax_k_t1、σmax_rb_t1為k、rb原子的吸收截面最大值，l為堿金屬氣室的長度。

(4)通過測得的啟動溫度t1下的堿金屬原子密度，并利用啟動溫度t1下單種堿金屬原子飽和時的原子密度nsd_k_t1、nsd_rb_t1，得到兩種堿金屬原子精確的摩爾分數nk、nrb，摩爾分數的計算公式如下：

nk+nrb＝1；

其中，t1溫度下k、rb單種堿金屬原子飽和時的原子密度nsd為：

其中，a和b是與原子種類有關的常數，t1是啟動溫度，通過該步驟中的上述四個公式，計算出啟動溫度t1，帶入原式即得到k、rb的摩爾分數；nsd_k_t1、nsd_rb_t1為啟動溫度t1下單種堿金屬原子飽和時的原子密度；

(5)加熱充有k、rb堿金屬原子的氣室至工作溫度t2，工作溫度t2為190℃-200℃，根據步驟(2)(3)中所述的方法，得到工作溫度t2下的k原子的密度nk_t2，通過：

計算出工作溫度t2，即堿金屬氣室內部溫度，其中，nk通過步驟(4)獲得，是已知的。

(6)通過：

得到rb原子工作溫度t2下飽和時的原子密度nsd_rbhigh，通過：

得到工作溫度t2下rb原子的密度nrb_high。

所述步驟(2)中的光學深度曲線計算公式為：

其中，υ為入射激光的頻率，iout和iin分別為堿金屬氣室出射和入射激光的光強。

所述步驟(2)中的洛倫茲函數為：

其中，k為比例系數，υ為激光掃描頻率，υ0為中心頻率，γ為譜線壓力展寬，即洛倫茲曲線的半高全寬。

所述步驟(2)中的吸收截面積為：

σ(υ)＝πrecfl(υ)

其中，re是電子半徑，c是光速，f是振子強度。

所述步驟(2)中的吸收截面積最大值為：

所述步驟(4)中的單種堿金屬原子飽和時的原子密度nsd為：

其中，a和b是與原子種類有關的常數。

本發明的原理在于：由于傳統的飽和吸收光譜在原子數密度很大，即堿金屬氣室處于較高的工作溫度時，在共振峰兩側很大的范圍吸收很強，很難通過曲線擬合得到密度的準確值。通過測量低溫下的堿金屬原子數密度，得到k、rb兩種堿金屬原子的摩爾分數比，進而將堿金屬氣室加熱到工作溫度，由于在serf態下共振點附近，rb原子吸收強烈，通過曲線擬合獲得rb原子密度存在較大的偏差，因此我們先得到k原子的密度，結合在較低的啟動溫度下得到的摩爾分數比，通過拉烏爾定律計算得到k原子的密度。通過在較低的啟動溫度下測量原子摩爾分數，在較高的工作溫度精確測量k原子密度，在工作溫度精確推算rb原子密度，實現基于混合光抽運的原子密度精確測量方法。

本發明與現有技術相比的優點在于：通過在較低的啟動溫度t1，測量原子摩爾分數，t1范圍為100℃-120℃，在較高的工作溫度t2，t2范圍為190℃-200℃，精確測量k原子密度，在工作溫度精確推算rb原子密度，實現基于混合光抽運的原子密度精確測量方法，提高了堿金屬氣室內原子密度的測量精度。

附圖說明

圖1為本發明的測量方法流程圖；

圖2為本發明中激光吸收光譜測量的實驗裝置示意圖。

具體實施方式

本發明基于系統設計的基本需求，整個光路系統包括激光器、斬波器、1/2波片、pbs、npbs、鎖相放大器、波長計、光電探測器、堿金屬氣室等外加數據采集和顯示設備。

(1)將待測的充有k、rb兩種堿金屬原子的氣室安裝于如圖2所示的實驗系統中，將其加熱至較低的啟動溫度t1。

激光器1輸出的激光經過波片2和偏振4分光棱鏡后分為兩束光，一束傳輸至波長計3以測量其頻率，另一束光進入斬波器6后，對光進行調制，通過一個分光比為1:1的消偏振分光棱鏡6，一束通過光電探測器9進入鎖相放大器10進行解調，以減小環境中雜散光的影響，最后進入數據采集系統11，另一束通過充有k、rb兩種堿金屬原子的堿金屬氣室7后，通過光電探測器8進入鎖相放大器10進行解調，最后進入數據采集系統11。

(2)采用波長調諧范圍在k、rb原子d1線附近的分布式布拉格反射激光器dbrl，將dbr激光器輸出的激光照射于堿金屬氣室并進行掃頻，測量不同頻率入射激光的透過率，從而計算出k、rb兩種堿金屬原子的光學深度曲線，然后對光學深度曲線進行洛倫茲函數擬合，獲得k、rb堿金屬原子光學深度曲線的壓力展寬γk_t1、γrb_t1，進而得到k、rb堿金屬原子吸收截面積最大值σmax_k_t1、σmax_rb_t1，計算k、rb堿金屬原子吸收截面積的公式分別如下：

σmax_k_t1＝2/πγk_t1

σmax_rb_t1＝2/πγrb_t1

(3)利用密度與光學深度最大值odmax_k_t1、odmax_rb_t1、吸收截面最大值σmax_k_t1、σmax_rb_t1和氣室長度l的關系，分別得到較低的啟動溫度t1下兩種堿金屬原子密度，計算k、rb堿金屬原子密度nk_t1、nrb_t1的公式如下：

其中，nk_t1、nrb_t1分別為啟動溫度t1下堿金屬氣室中k、rb原子的密度；odmax_k_t1、odmax_rb_t1為k、rb原子的光學深度最大值；σmax_k_t1、σmax_rb_t1為k、rb原子的吸收截面最大值，l為堿金屬氣室的長度。

(4)通過測得的啟動溫度t1下的堿金屬原子密度，并利用啟動溫度t1下單種堿金屬原子飽和時的原子密度nsd_k_t1、nsd_rb_t1，得到兩種堿金屬原子精確的摩爾分數nk、nrb，摩爾分數的計算公式如下：

nk+nrb＝1；

其中，t1溫度下k、rb單種堿金屬原子飽和時的原子密度nsd為：

其中，a和b是與原子種類有關的常數，t1是啟動溫度，通過該步驟中的上述四個公式，計算出啟動溫度t1，帶入原式即得到k、rb的摩爾分數；nsd_k_t1、nsd_rb_t1為啟動溫度t1下單種堿金屬原子飽和時的原子密度；

(5)加熱充有k、rb堿金屬原子的氣室至工作溫度t2，工作溫度t2為190℃-200℃，根據步驟(2)(3)中所述的方法，得到工作溫度t2下的k原子的密度nk_t2，通過

計算出工作溫度t2，即堿金屬氣室內部溫度，其中，nk通過步驟(4)獲得，是已知的。

(6)通過：

得到rb原子工作溫度t2下飽和時的原子密度nsd_rbhigh，通過：

得到工作溫度t2下rb原子的密度nrb_high。

總之，本發明適用于傳統的飽和吸收光譜在原子數密度很大，即堿金屬氣室處于工作溫度時，在共振峰兩側很大的范圍吸收很強，很難通過曲線擬合得到密度的準確值的情況，可以實現混合光抽運下兩種堿金屬原子密度的精確測量。可應用于基于混合光抽運的原子磁強計、原子自旋陀螺儀等儀器中所采用堿金屬氣室中堿金屬原子密度的精確測量。

本發明說明書中未做詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。