一种基于外差干涉的气室温度控制系统技术方案

一种基于外差干涉的气室温度控制系统，通过使一束单色光在包含气室的光学系统中形成经过所述气室的第一合束光和不经过气室的第二合束光，以便利用第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量，从而以基于纯光场进行测温的方式减少单点测温带来的温度梯度，提高气室温度测量精度。提高气室温度测量精度。提高气室温度测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于外差干涉的气室温度控制系统


[0001]本专利技术涉及气室温度控制系统
，可应用于气室测温，可满足于纯光学测温，特别适用于碱金属气室的全光学测温。

技术介绍

[0002]气室是许多科学装置的关键部件，尤其是对于量子测量仪器是核心敏感部件。其中，温度不可避免地影响气室的性能，因此实现气室温度的高精度测量和稳定控制具有重要意义。
[0003]目前，关于此研究对象的测温方式主要包括两类，第一类是接触式温度传感器测温，将温度传感器与测温目标紧密接触，测温结果采用有线或者无线通信方式发送给测温主机，但是这类测温方法是单点测温，难以解决温度梯度的问题，测温点多时成本会急剧上升，还容易引入环境温度的干扰；第二类主要是红外测温方法，这类主要依据的是红外测温原理，优点是是非接触式测温安全性高，但是精度不高，很难应用在高精度的仪器上。
[0004]综上，随着光束调制技术和光束合成技术的发展和应用的普及，针对气室温度系统设计有了广阔的前景，而这方面的研究实践研究还比较缺乏。本专利从总体出发，基于外差干涉的气室温度控制系统的设计，将为相似的气室测温设计提供指导和借鉴。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于外差干涉的气室温度控制系统，通过使一束单色光在包含气室的光学系统中形成经过所述气室的第一合束光和不经过气室的第二合束光，以便利用第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量，从而以基于纯光场进行测温的方式减少单点测温带来的温度梯度，提高气室温度测量精度。
[0006]本专利技术的技术解决方案如下：
[0007]一种基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，包括光学系统，所述光学系统使一束单色光形成经过气室的第一合束光和不经过气室的第二合束光，利用所述第一合束光与所述第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量。
[0008]所述第一合束光通过第一光电探测器连接信号处理器，所述第二合束光通过第二光电探测器连接所述信号处理器，所述信号处理器用于计算第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差，所述信号处理器分别连接温控系统和上位机。
[0009]所述光学系统包括产生所述单色光的激光器，所述激光器连接第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜使输入的所述单色光形成大小相同且偏振方向正交的第一束光和第二束光，所述第一束光通过第二反射镜连接第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜使所述第一束光分为第三束光和第四束光，所述第三束光连接第二激光合束镜，所述第四束光通过第三反射镜连接第一激光合束镜，所述第二束光通过调制器生成第二束调制光后连接第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜将所述第二束调制光分为第五束光和第
六束光，所述第五束光通过气室和第一反射镜到达第一激光合束镜，所述第一激光合束镜将所述第五束光和所述第四束光合成所述第一合束光，所述第六束光连接所述第二激光合束镜，所述第二激光合束镜将所述第六束光和所述第三束光合成所述第二合束光。
[0010]所述调制器为噪声衰减器或者电光调制器或者声光调制器。
[0011]所述温控系统对气室温度进行PID闭环控制(PID，Proportional Integral Derivative，或者，Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)。
[0012]通过信号处理器得到的相位差信号，经过前期标定数据后，即可得到气室实时温度。
[0013]所述得到气室实时温度的方式如下：
[0014]定义第一光电探测器探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器探测到的光信号为参考信号；
[0015]激光经过调制器调制后，与未经调制的激光通过第二激光合束镜进行合束，由第二光电探测器接收到的参考信号的电矢量信号E
ref
为：
[0016]E
ref
＝A
1 cos(k
m
z
‑
ω
m
t）
[0017]k
m
＝π(v1‑
v2)/c＝ω
m
/c
[0018]其中A1为第二光电探测器测量到的合束电矢量信号E
ref
中的高频分量单位探测时间内的平均值，即一个直流量A1；v1和v2分别为经过调制器前和经过后的光束频率；k
m
为合束后的光矢量的波数；ω
m
为合束后的光矢量的角频率；c为真空中的光速；
[0019]第二光电探测器探测到的参考信号的光强为I
ref
(t)为一个随时间t变化的量：
[0020][0021]其中φ
ref
是初始相位为一常值，其大小由合束前两束光的光程差决定；
[0022]同理，激光经过调制器调制并穿过气室后，与未经调制的激光通过第一激光合束镜进行合束，并由第一光电探测器探测，得到的测量信号的光强大小I
meas
(t)为一个随时间t变化的量：
[0023][0024]其中A2为第二光电探测器测量到的合束电矢量信号中的高频分量单位探测时间内的平均值，即一个直流量A2；φ
′
为一初始相位，其大小由合束前两束光的光程差决定，由于有气室的存在，φ
′
的值并不是常值，而是随着气室的折射率n的变化而变化；
[0025]此时参考信号与测量信号为同频率信号，其相位差φ1为：
[0026]φ1＝φ
ref
‑
φ
′
＝φ0+2k
m
(n
‑
1)l
[0027]其中φ0为一常数值，由除气室以外的光程大小决定，l为光路经过气室的长度，理想状态下为气室的直径。
[0028]采用气室的折射率n直接由温度决定的以下式子得到原子密度即气室温度：
[0029]n＝1
‑
K(ω)
·
n
atom
[0030]其中n
atom
为原子密度，与温度成正比例相关关系；K(ω)为原子密度与折射率之间的比例系数；ω为经过调制器前的激光频率。
[0031]本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种基于外差干涉的气室温度控制系统，以气室
为研究对象，针对气室的温度测量问题，通过温度影响原子的密度方法，同时结合利用不同的原子密度会带来不同的折射率，建立了一种利用光程差实现对气室原子密度进行测量的方案，实现了利用光程差实现对气室温度测量的设计效果。本专利技术基于纯光场进行测温，在满足了设计需求的用时具有便于工程实现(比如高效率、便于工程实现)的特点，减少了单点测温带来的温度梯度，提高了测量精度，适用于具有对气室温度进行测量控制一类的产品，具有十分广阔的应用前景。
[0032]本专利技术的特点如下：与现有的接触式温度传感器测温方法相比，本专利技术优点在于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，包括光学系统，所述光学系统使一束单色光形成经过气室的第一合束光和不经过气室的第二合束光，利用所述第一合束光与所述第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量。2.根据权利要求1所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述第一合束光通过第一光电探测器连接信号处理器，所述第二合束光通过第二光电探测器连接所述信号处理器，所述信号处理器用于计算第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差，所述信号处理器分别连接温控系统和上位机。3.根据权利要求1所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述光学系统包括产生所述单色光的激光器，所述激光器连接第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜使输入的所述单色光形成大小相同且偏振方向正交的第一束光和第二束光，所述第一束光通过第二反射镜连接第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜使所述第一束光分为第三束光和第四束光，所述第三束光连接第二激光合束镜，所述第四束光通过第三反射镜连接第一激光合束镜，所述第二束光通过调制器生成第二束调制光后连接第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜将所述第二束调制光分为第五束光和第六束光，所述第五束光通过气室和第一反射镜到达第一激光合束镜，所述第一激光合束镜将所述第五束光和所述第四束光合成所述第一合束光，所述第六束光连接所述第二激光合束镜，所述第二激光合束镜将所述第六束光和所述第三束光合成所述第二合束光。4.根据权利要求3所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述调制器为噪声衰减器或者电光调制器或者声光调制器。5.根据权利要求3所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述温控系统对气室温度进行PID闭环控制(PID，Proportional Integral Derivative，或者，Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)。6.根据权利要求1所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，通过信号处理器得到的相位差信号，经过前期标定数据后，即可得到气室实时温度。7.根据权利要求6所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述得到气室实时温度的方式如下：定义第一光电探测器探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器探测到的光信号为参考信号；激光经过调制器调制后，与未经调制的激光通过第二激光合束镜进行合束，由第二光电探测器接...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓，刘祀浔，袁琪，王瑞钢，庞昊颖，秦博东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：