基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置，属于原子干涉仪技术领域。所述方法包括步骤：步骤一、频率为碱金属原子共振频率的激光由激光光源发射后经过起偏器起偏变为线偏振光；步骤二、线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转形成旋转偏振光；步骤三、利用光电探测器对检偏器输出的光功率进行探测并转化为光电压信号；步骤四、根据锁相放大器检测的光电压信号的交流分量和示波器检测的光电压信号的直流分量求得所述碱金属原子蒸气密度。本发明专利技术还提供一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置。利用本发明专利技术提供的方法及装置，利用碱金属原子蒸气的法拉第效应及相干探测实现微弱信号检测，提高测量精度。

Measurement Method and Device of Alkali Metal Atomic Vapor Density Based on Coherent Detection

The invention discloses a method for measuring atomic vapor density of alkali metals and a measuring device based on coherent detection, which belongs to the technical field of atomic interferometer. The method comprises the following steps: first, the laser with the resonance frequency of alkali metal atoms is polarized to linear polarized light by a polarizer after being emitted by a laser source; second, the linear polarized light rotates into a rotationally polarized light after entering an alkali metal atom chamber; third, the light output from the polarizer is detected by a photoelectric detector. The power is detected and converted into photovoltaic signal. Step 4: The atomic vapor density of alkali metal is calculated according to the AC component of the photovoltaic signal detected by the PLA and the DC component of the photovoltaic signal detected by the oscilloscope. The invention also provides an alkali metal atomic vapor density measurement device based on coherent detection. Using the method and device provided by the invention, weak signal detection is realized by using Faraday effect of alkali metal atomic vapor and coherent detection, and measurement accuracy is improved.

【技术实现步骤摘要】
基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置
本专利技术属于原子干涉
，具体涉及一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置。
技术介绍
实现原子干涉的基本前提是对冷原子团的制备，而对于冷原子团的制备，原子蒸气密度是一项重要参数。对于碱金属原子蒸气，通常利用激光与原子的相互作用来测量和分析其密度大小。但是测量过程中所需要的超冷原子团、波色爱因斯坦凝聚体(Bose-Einsteincondensation，BEC)的蒸气密度远低于常规系统，无法通过常规检测仪器如真空计对蒸气密度进行直接测量。现有的探测碱金属原子蒸气密度的测量方法，如吸收法、荧光法都难以对碱金属原子蒸气密度进行精确测量；对于通常提高探测极限的手段，如通过对激光功率或频率进行调制，由于激光参数对电压变化敏感也难以应用到所述的吸收法或荧光法当中。
技术实现思路
为了解决现有技术中对于碱金属原子蒸气密度测量存在的问题，本专利技术提出一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法及测量装置，用于碱金属原子蒸气的密度测量。一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法，所述方法具体包括如下步骤：步骤一、由激光光源发射的激光，经过起偏器起偏变为线偏振光；所述激光的频率为碱金属原子共振频率；步骤二、所述线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转，形成旋转偏振光；所述碱金属原子气室两端设置第一线圈与第二线圈，所述第一线圈与第二线圈的一端同时连接信号发生器，另一端均接地。通过信号发生器对第一线圈和第二线圈提供方波电压后，碱金属原子气室内产生沿所述线偏振光传播方向的交变磁场，使线偏振光发生旋转；所述的旋转形成的旋转角为一个极小量的角度。步骤三、所述旋转偏振光透过检偏器后，利用光电探测器对检偏器输出的光功率进行探测并转化为光电压信号，所述光电压信号的交流分量由锁相放大器检测，所述光电压信号的直流分量由示波器检测；步骤四、利用公式根据锁相放大器检测的光电压信号的交流分量UA1和示波器检测的光电压信号UD2的直流分量求得所述碱金属原子蒸气密度；其中，m为电子质量，ε0为真空介电常数，c为真空光速，e为电子电量，f为振子强度，l为碱金属原子气室5的长度，g是朗德因子，μ是玻尔磁子，B是磁感应强度，为普朗克常数h与2π的比值，Γ为谱线宽度，UA1为光电压信号的交流分量电压信号大小，R1为锁相放大器光电转换系数，UD2为光电压信号的直流分量电压信号大小，R2为示波器光电转换系数。本专利技术还提供一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置，所述测量装置包括：激光光源、起偏器、信号发生器、第一线圈、碱金属原子气室、第二线圈、检偏器、光电探测器、锁相放大器和示波器。所述激光光源依次连接起偏器、碱金属原子气室和检偏器，频率为碱金属原子共振频率的激光由激光光源发射后经过所述起偏器后变成线偏振光，所述线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转形成旋转偏振光，所述碱金属原子气室两端设置第一线圈与第二线圈，所述第一线圈与第二线圈的一端同时连接信号发生器，另一端均接地。通过信号发生器对第一线圈和第二线圈提供方波电压后，对碱金属原子气室施加沿所述线偏振光传播方向的交变磁场；所述旋转偏振光经过检偏器后光功率发生变化，利用光电探测器对光功率发生变化的旋转偏振光的光功率进行探测后转化为光电压信号，所述光电探测器有两个输出端，分别与所述锁相放大器和所述示波器的输入端相连，所述光电压信号的交流分量由所述锁相放大器检测，所述光电压信号的直流分量由所述示波器检测，所述信号发生器有三个输出端，分别与所述第一线圈的一端、所述第二线圈一端以及所述锁相放大器输入端相连，所述第一线圈、所述第二线圈的另一端均接地。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术利用碱金属原子蒸气的法拉第效应中信号强度与蒸气密度是线性关系的特点，把方波电压施加到线圈上用于产生交变磁场，避开了激光频率、功率不稳定的因素，实现了微弱信号检测，提高了测量精度和极限。附图说明图1是本专利技术提供的基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置结构图；图2是基于法拉第效应的相干探测原理图；图中：1：激光光源；2：起偏器；3：信号发生器；4：第一线圈；5：碱金属原子气室；6：第二线圈；7：检偏器；8：光电探测器；9：锁相放大器；10：示波器。具体实施方式下面将结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明：本专利技术提供一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法，结合图1，所述方法具体包括如下步骤：步骤一、由激光光源1发射的激光，经过起偏器2起偏变为线偏振光；所述激光的频率为碱金属原子共振频率；步骤二、所述线偏振光进入碱金属原子气室5后发生旋转，形成旋转偏振光。所述碱金属原子气室5两端设置第一线圈4与第二线圈6，所述第一线圈4与第二线圈6的一端同时连接信号发生器3，另一端均接地。通过信号发生器3对第一线圈4和第二线圈6提供方波电压，对碱金属原子气室5施加沿所述线偏振光传播方向的交变磁场，使得线偏振光发生旋转；所述旋转形成的旋转角为极小量；步骤三、所述旋转偏振光透过检偏器后，利用光电探测器对检偏器输出的光功率进行探测并转化为光电压信号，所述光电压信号的交流分量由锁相放大器9检测，所述光电压信号的直流分量由示波器10检测；步骤四、利用公式(13)，根据锁相放大器9检测的光电压信号的交流分量和示波器10检测的光电压信号的直流分量求得所述碱金属原子蒸气密度。本专利技术还提供一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量装置，如图1所示，所述测量装置包括：激光光源1、起偏器2、信号发生器3、第一线圈4、碱金属原子气室5、第二线圈6、检偏器7、光电探测器8、锁相放大器9和示波器10；所述激光光源1依次连接起偏器2、碱金属原子气室5和检偏器7，频率为碱金属原子共振频率的激光由所述激光光源1发射激光经过所述起偏器2后变成线偏振光，所述线偏振光进入碱金属原子气室5后发生旋转角为的旋转形成旋转偏振光。所述碱金属原子气室5两端设置第一线圈4与第二线圈6，所述第一线圈4与第二线圈6的一端分别连接信号发生器3，另一端均接地。通过信号发生器3对第一线圈4和第二线圈6提供方波电压后，对碱金属原子气室5施加沿所述线偏振光传播方向的交变磁场，使得线偏振光发生旋转；所述旋转偏振光经过检偏器7后光功率发生变化，利用光电探测器8对经过检偏器7的旋转偏振光的光功率进行探测并转化为光电压信号，所述光电探测器8有两个输出端，分别与所述锁相放大器9和所述示波器10的输入端相连，所述光电压信号的交流分量由所述锁相放大器9检测，所述光电压信号的直流分量由所述示波器10检测。所述信号发生器3有三个输出端，分别与所述第一线圈4的一端、所述第二线圈6的一端以及所述锁相放大器9输入端相连；所述第一线圈4、所述第二线圈6的另一端均接地。应用本专利技术提供的一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法和测量装置，频率为碱金属原子共振频率的激光由激光光源1发射后经过所述起偏器2后变成线偏振光X，如图2所示，横轴为检偏轴，纵轴为起偏轴，设所述线偏振光X的电场强度振幅为所述线偏振光X相对起偏器2起偏轴的夹角为α，将所述线偏振光X的电场强度振幅分解为平行于所述起偏轴与垂直于所述起偏轴两个方向的分量，则平行于起偏轴方向的分量为垂直于起偏轴方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法，其特征在于，所述方法包括步骤：步骤一、由激光光源发射的激光，经过起偏器起偏变为线偏振光；所述激光的频率为碱金属原子共振频率；步骤二、所述线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转，形成旋转偏振光；所述碱金属原子气室两端设置第一线圈与第二线圈，所述第一线圈与第二线圈的一端分别连接信号发生器，另一端均接地；所述的信号发生器对第一线圈和第二线圈施加方波调制电压，在碱金属原子气室内产生沿所述线偏振光传播方向的交变磁场，使线偏振光发生旋转；所述旋转形成的旋转角为一个极小量的角度；步骤三、所述旋转偏振光透过检偏器后，利用光电探测器对检偏器输出的光功率进行探测并转化为光电压信号，所述光电压信号的交流分量由锁相放大器检测，所述光电压信号的直流分量由示波器检测；步骤四、利用公式

【技术特征摘要】
1.一种基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法，其特征在于，所述方法包括步骤：步骤一、由激光光源发射的激光，经过起偏器起偏变为线偏振光；所述激光的频率为碱金属原子共振频率；步骤二、所述线偏振光进入碱金属原子气室后发生旋转，形成旋转偏振光；所述碱金属原子气室两端设置第一线圈与第二线圈，所述第一线圈与第二线圈的一端分别连接信号发生器，另一端均接地；所述的信号发生器对第一线圈和第二线圈施加方波调制电压，在碱金属原子气室内产生沿所述线偏振光传播方向的交变磁场，使线偏振光发生旋转；所述旋转形成的旋转角为一个极小量的角度；步骤三、所述旋转偏振光透过检偏器后，利用光电探测器对检偏器输出的光功率进行探测并转化为光电压信号，所述光电压信号的交流分量由锁相放大器检测，所述光电压信号的直流分量由示波器检测；步骤四、利用公式根据锁相放大器检测的光电压信号的交流分量UA1和示波器检测的光电压信号UD2的直流分量求得所述碱金属原子蒸气密度N；其中，m为电子质量，ε0为真空介电常数，c为真空光速，e为电子电量，f为振子强度，l为碱金属原子气室的长度，g是朗德因子，μ是玻尔磁子，B是磁感应强度，为普朗克常数h与2π的比值，Г为谱线宽度，UA1为光电压信号的交流分量电压信号大小，R1为锁相放大器光电转换系数，UD2为光电压信号的直流分量电压信号大小，R2为示波器光电转换系数。2.如权利要求1所述的基于相干探测的碱金属原子蒸气密度测量方法，其特征在于，所述旋转角计算公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋凝芳，徐河，徐小斌，李玮，路想想，胡笛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11