本发明专利技术公开的一种用于探测原子团密度确定原子束通量的方法及装置，属于冷原子干涉物理领域。本发明专利技术探测原子空间分辨率是通过获取仅与一小部分原子通量相互作用的窄探测束的多个位置的数据来获得的，采用吸收法测量原子团密度，在预定高度范围内获取原子空间密度分布，从而得到原子空间分辨率信息最终获得原子束通量。当测量通过通量的探测光束所经历的总吸收时，不存在景深问题，并且在不同位置进行多次测量能够构建原子柱密度剖面，有效避免高斯探测光束的不均匀性、探测光强度的不稳定性造成的测量过程复杂化，本发明专利技术具有较高的探测均匀性，能够大幅度提升冷原子物理领域探测过程中的物理参数测量、信噪比和测量准确度。信噪比和测量准确度。信噪比和测量准确度。
【技术实现步骤摘要】
一种用于探测原子团密度确定原子束通量的方法及装置
[0001]本专利技术涉及一种用于探测原子团密度确定原子束通量的方法及装置，属于冷原子干涉物理领域。
技术介绍
[0002]随着激光冷却技术的不断发展与进步，冷原子干涉领域越来越受到重视。冷原子因其相干性强，波长较长利于操控等特点，逐步成为冷原子物理研究的核心与关键。例如冷原子干涉重力仪、陀螺仪、梯度仪、冷原子钟等均是围绕冷原子干涉操控进行的精密测量装置。因此对冷原子团的数目、密度、温度以及空间位置等信息的精确把控，成为提高冷原子干涉领域精密测量的有效途径。
[0003]目前对于典型的冷原子干涉实验，高质量冷原子源主要用于在真空环境中加载MOT(磁光阱)，需要同时实现快速加载和俘获长寿命原子。因此，冷原子源的特征通常是通过从MOT的加载速率推断通量，但是仅测量加载速率只能提供有限的散度和空间分布信息。获取原子密度空间分辨率信息的理想方法是照亮和成像整个区域。单次测量获得原子密度分布，要求成像光学系统的景深要大于被成像样品的宽度。
[0004]基于下落型塔式重力仪，测量位置(距顶端30cm)处要求原子团直径发散至约2cm，根据由数值孔径NA的成像系统景深近似公式计算，对于直径为25mm的标准透镜，应对应2m的焦距。这将导致在吸收成像的情况下仅收集0.001％的散射光，这使得测量原子光通量不切实际。吸收成像探测原子束通量的最初方法是通过改变光阑口径，达到改变探测光位置的目的，原子吸收光子后，探测到的光强变化确定原子空间密度分布。但由于高斯探测光束的不均匀性，使得光束扫描原子团时探测光强度发生了变化，测量过程一度变得复杂。
技术实现思路
[0005]为了解决现有方案收集效率低，探测信号强度弱，并且由于景深要求阻止了原子密度在单次激发中的空间分辨率成像等问题，本专利技术主要目的是提供一种探测原子团密度确定原子束通量的方法及装置，探测原子空间分辨率是通过获取仅与一小部分原子通量相互作用的窄探测束的多个位置的数据来获得的；当测量通过通量的探测光束所经历的总吸收时，不存在景深问题，并且在不同位置进行多次测量能够构建原子柱密度剖面，提高探测均匀性，本专利技术具有光强信号收集率高、探测信号强度高、探测精度高等优点。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的一种用于探测原子团密度确定原子束通量的方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一：探测不同位置的吸收成像信号。
[0009]吸收成像信号通过受激吸收和再散射引起的探测光束衰减来测量原子密度。根据Beer
‑
Lambert定律，初始强度为I0(x,y)的探测光束，沿z方向通过密度ρV(x,y,z)区，其强度为
[0010]I(x,y)＝I0(x,y)e
‑
ρA(x,y)σ(x,y)
[0011]准直的探测光通过真空窗口，聚焦在光电二极管上，垂直探测位置由固定上镜和微米可调下镜组成的可调潜望镜改变调节。
[0012]步骤二：对吸收信号进行公式拟合得到柱密度曲线，即原子柱密度剖面。
[0013]从每个不同高度的探测数据中提取的吸收信号使用下述方程式转换为列密度，使用洛伦兹函数拟合。
[0014][0015]其中σ(x，y)是散射截面，ρA(x，y)是给出的原子柱密度，而Z是光通过介质的传播距离，ρA与σ的乘积定义为光学深度。光束中某点的原子密度为ρV(x,y,z)，根据中心极限定理，横向原子密度具有高斯分布。当横向原子密度是径向对称的，则笛卡尔坐标中的原子密度是x和y两个方向两个正态分布的乘积，均具有相同的标准偏差σ
⊥
＝σ
⊥
(z)，随轴向位置z而变化，乘以与纵向位置无关的总线密度ρ
L
[0016][0017]对沿x方向的原子密度进行积分，并在y位置范围内进行测量，以获得测量z位置处原子密度的空间分辨率。
[0018]然而，真空腔室具有有限的宽度，因此如果通量的宽度大于腔室的宽度，则切割掉一部分通量。因此，对于沿x方向宽度为W的真空腔单元，成像的原子密度是从x＝
‑
W/2到x＝+W/2的积分。当通量位于真空腔中心，则x0＝0成像的柱密度为
[0019][0020]步骤三：根据步骤二得到的得到柱密度曲线推算原子束总通量。
[0021]通过测量柱密度ρA(y,z)＝∫ρV(x,y,z)dx给定轴向位置z，从而估计ρA(y,z)的空间分布。根据该轮廓的宽度即能够推断出散度，并且对所有y的积分得出∫ρA(y,z)dy＝∫ρV(x,y,z)dx dy＝ρ
L
(z)，这是沿源轴每单位长度的原子数即线性原子密度。当原子束传播时没有损耗时，则ρ
L
(z)＝ρ
L
，并且能够依照下面确定总通量。
[0022]如果Φ0是原子的总通量(以原子/秒为单位)，则具有纵向速度v
z
的原子通量为Φ(v
z
)＝Φ0f(v
z
)其中f(v
z
)是纵向速度的归一化分布。速度为v
z
的每单位长度的原子数为Φ(v
z
)/v
z
，因此每单位长度的原子总数，线性原子密度ρ
L
为
[0023][0024]通过积分横向原子密度分布确定线性原子密度ρ
L
，通过除以1/v
z
的期望值得到原子束总通量Φ0，即实现原子束通量测定。
[0025]本专利技术还公开一种探测原子空间分辨率确定原子束通量的装置，用于实现所述一种探测原子空间分辨率确定原子束通量的方法。所述探测原子空间分辨率确定原子束通量
的装置包括一组用于控制探测光位置的可调潜望镜装置单元和聚焦准直光电二极管。本专利技术通过多次调节潜望镜装置，准直的探测光束穿过真空室并聚焦到光电二极管，能够在预定高度范围内获取原子密度，从中推断出空间密度分布，用以确定冷原子束流的通量。本专利技术能够有效避免高斯探测光束的不均匀性、探测光强度的不稳定性造成的测量过程复杂化，同时采用吸收法测量原子团密度，具有信号更强探测精度更高等优点。所述可调潜望镜由固定上镜和微米可调下镜组成。
[0026]本专利技术公开的一种探测原子空间分辨率确定原子束通量的装置的工作方法为：通过用频率与基态原子共振的探测光照射处于基态的原子，原子吸收光子，由基态跃迁至激发态，由于处在激发态的原子寿命极短，原子通过自发幅射落回到基态。由于各个方向自发幅射的概率是相同的，原子吸收了部分光子，相对于没有原子在探测区时，沿着激光作用方向探测光的光强会减弱。利用光电管能够探测到原子团其他方向幅射的荧光信号，其光强的变化与原子数目成正比，通过测量探测光光强的变化，在预定高度范围内获取原子空间密度分布，从而得到原子空间分辨率信息最终获得原子束通量。
[0027]作为优选，所述一种探测原子空间分辨率确定原子通量的装置，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于探测原子团密度确定原子束通量的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：探测不同位置的吸收成像信号；吸收成像信号通过受激吸收和再散射引起的探测光束衰减来测量原子密度；根据Beer
‑
Lambert定律，初始强度为I0(x,y)的探测光束，沿z方向通过密度ρV(x,y,z)区，其强度为I(x,y)＝I0(x,y)e
‑
ρA(x,y)σ(x,y)
准直的探测光通过真空窗口，聚焦在光电二极管上，垂直探测位置由固定上镜和微米可调下镜组成的可调潜望镜改变调节；步骤二：对吸收信号进行公式拟合得到柱密度曲线，即原子柱密度剖面；从每个不同高度的探测数据中提取的吸收信号使用下述方程式转换为列密度，使用洛伦兹函数拟合；其中σ(x,y)是散射截面，ρA(x,y)是给出的原子柱密度，而Z是光通过介质的传播距离，ρA与σ的乘积定义为光学深度；光束中某点的原子密度为ρV(x,y,z)，根据中心极限定理，横向原子密度具有高斯分布；当横向原子密度是径向对称的，则笛卡尔坐标中的原子密度是x和y两个方向两个正态分布的乘积，均具有相同的标准偏差σ
⊥
＝σ
⊥
(z)，随轴向位置z而变化，乘以与纵向位置无关的总线密度ρ
L
，对沿x方向的原子密度进行积分，并在y位置范围内进行测量，以获得测量z位置处原子密度的空间分辨率；然而，真空腔室具有有限的宽度，因此如果通量的宽度大于腔室的宽度，则切割掉一部分通量；因此，对于沿x方向宽度为W的真空腔单元，成像的原子密度是从x＝
‑
W/2到x＝+W/2的积分；当通量位于真空腔中心，则x0＝0成像的柱密度为步骤三：根据步骤二得到的柱密度曲线推算原子束总通量；通过测量柱密度ρA(y,z)＝∫ρV(x,y,z)dx给定轴向位置z，从而估计ρA(y,z)的空间分布；根据该轮廓的宽度即能够推断出散度，并且对所有y的积分得出∫ρA(y,z)dy＝∫ρV(x,y,z)dx dy＝ρ
L
(z)，这是沿源轴每单位长度的原子数即线性原子密度；当原子束传播时没有损耗时，则ρ
L
(z)＝ρ
L
，并且能够依照下面确定总通量；如果Φ0是原子的总通量(以原子/秒为单位)，则具有纵向速度v
z
的原子通量为Φ(v
z
【专利技术属性】
技术研发人员：尤建琦，白金海，王宇，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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