一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測(cè)量裝置，包括驅(qū)動(dòng)激光子系統(tǒng)，測(cè)量敏感單元子系統(tǒng)，檢測(cè)單元子系統(tǒng)。其中，測(cè)量敏感單元子系統(tǒng)的功能是為密度與極化率測(cè)量提供物理載體以及測(cè)試條件；驅(qū)動(dòng)激光子系統(tǒng)的功能是極化氣室中堿金屬原子；檢測(cè)單元子系統(tǒng)的功能是測(cè)量不同測(cè)試條件下檢測(cè)光的偏轉(zhuǎn)角，解算偏轉(zhuǎn)角得到原子密度與極化率。該裝置利用驅(qū)動(dòng)激光子系統(tǒng)產(chǎn)生抽運(yùn)光照射氣室，在測(cè)量敏感單元子系統(tǒng)中加固定磁場(chǎng)以產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)角，利用檢測(cè)單元子系統(tǒng)測(cè)量檢測(cè)光的偏轉(zhuǎn)角，最終通過(guò)數(shù)據(jù)處理器解算出原子密度與極化率。該裝置具有測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高的特點(diǎn)，對(duì)提高原子慣性與磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度具有重要作用。
【專利說(shuō)明】一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超高靈敏原子自旋慣性測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種堿金屬蒸汽原子 密度與極化率的測(cè)量裝置，可用于研究原子自旋處于無(wú)自旋交換弛豫態(tài)的操控。

【背景技術(shù)】
[0002] 堿金屬原子極化率的測(cè)量對(duì)于研究原子自旋處于無(wú)自旋交換弛豫態(tài)下的行為有 著重要的作用。現(xiàn)今超高精度慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)迫切需要超高靈敏慣性測(cè)量，慣性測(cè)量精度 是決定導(dǎo)航與制導(dǎo)精度的核心。原子自旋極化率的穩(wěn)定性直接影響超高靈敏原子自旋慣性 測(cè)量標(biāo)度因數(shù)的穩(wěn)定性，對(duì)原子自旋極化率的測(cè)量顯得尤為重要。同時(shí)惰性氣體的核自旋 需要借助堿金屬原子的電子自旋極化，最終實(shí)現(xiàn)核自旋的超極化，其中核自旋的極化率也 需要利用堿金屬原子自旋極化率來(lái)計(jì)算。目前堿金屬原子極化率的測(cè)量裝置主要為射頻磁 場(chǎng)裝置，使射頻磁場(chǎng)在堿金屬原子的共振頻率處導(dǎo)致一種依賴極化率的躍遷，通過(guò)這種方 法使射頻共振被觀測(cè)到以實(shí)現(xiàn)對(duì)極化率的測(cè)量。此裝置在測(cè)量過(guò)程中需要調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，得到 連續(xù)磁場(chǎng)變化下的轉(zhuǎn)角信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線處理，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求高。堿金屬蒸汽原 子密度與堿金屬原子極化率都對(duì)研究原子自旋處于無(wú)自旋交換弛豫態(tài)有著重要的作用，目 前這兩種物理量需要利用兩套不同的裝置分別測(cè)出，而且傳統(tǒng)測(cè)量堿金屬蒸汽原子密度與 堿金屬原子極化率裝置存在設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)條件較為復(fù)雜等問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種堿金屬蒸汽的原子密 度與極化率一體化測(cè)量裝置，利用法拉第磁光效應(yīng)原理以及光偏振自旋轉(zhuǎn)原理，對(duì)堿金屬 原子加法拉第磁場(chǎng)并進(jìn)行激光抽運(yùn)，利用一套裝置測(cè)出堿金屬蒸汽原子密度以及堿金屬原 子極化率。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測(cè)量 裝置，包括驅(qū)動(dòng)激光子系統(tǒng)，測(cè)量敏感單元子系統(tǒng)，檢測(cè)單元子系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)激光子系統(tǒng)的功 能是極化堿金屬氣室中堿金屬原子，系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)激光器、驅(qū)動(dòng)擴(kuò)束鏡、驅(qū)動(dòng)偏振片、驅(qū)動(dòng) λ /4波片，其中驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生對(duì)堿金屬原子進(jìn)行抽運(yùn)的激光，通過(guò)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束， 然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)偏振片、驅(qū)動(dòng)λ/4波片使激光變?yōu)閳A偏振光，進(jìn)而極化堿金屬原子；測(cè)量敏 感單元子系統(tǒng)的功能是為原子密度與極化率測(cè)量提供物理載體以及溫度與法拉第磁場(chǎng)的 測(cè)試條件，系統(tǒng)包括氣室、烤箱、法拉第磁線圈，其中氣室中充有正壓隊(duì)的堿金屬蒸汽作為 測(cè)量敏感介質(zhì)，烤箱用來(lái)維持一定的溫度使堿金屬原子保持氣態(tài)，法拉第磁線圈提供一個(gè) 穩(wěn)定的法拉第磁場(chǎng)；檢測(cè)單元子系統(tǒng)的功能是測(cè)量不同測(cè)試條件下檢測(cè)光的偏轉(zhuǎn)角，通過(guò) 對(duì)偏轉(zhuǎn)角的解算得到堿金屬蒸汽原子密度與極化率，系統(tǒng)包括檢測(cè)激光器、起偏器、準(zhǔn)直 鏡、λ/2波片、λ/4波片、鎖相放大器、數(shù)據(jù)處理器、光彈調(diào)制器、檢偏器、光電探測(cè)器，其中 檢測(cè)激光器產(chǎn)生檢測(cè)激光，起偏器與檢偏器實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)激光的起偏與檢偏，檢測(cè)激光通過(guò) 準(zhǔn)直鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，λ/2波片用于檢測(cè)抽運(yùn)光導(dǎo)致的光旋角，由λ/4波片、鎖相放大器、光 彈調(diào)制器、光電探測(cè)器所構(gòu)成的光彈調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)用于測(cè)量法拉第磁場(chǎng)導(dǎo)致的法拉第旋轉(zhuǎn) 角，最終通過(guò)數(shù)據(jù)處理器解算堿金屬蒸汽的原子密度與極化率。
[0005] 該裝置測(cè)量方法為：首先將充有正壓的N2的堿金屬氣室均勻加熱至堿金屬蒸氣飽 和；其次，以驅(qū)動(dòng)激光子系統(tǒng)的抽運(yùn)光照射氣室，并以檢測(cè)單元子系統(tǒng)的檢測(cè)光測(cè)出抽運(yùn)光 導(dǎo)致的光旋角；最后，在測(cè)量敏感單元子系統(tǒng)的堿金屬氣室外加固定磁場(chǎng)，并利用光彈調(diào)制 檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出法拉第旋轉(zhuǎn)角。對(duì)得到的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繼而得到堿金屬蒸氣原子密 度，然后根據(jù)抽運(yùn)光導(dǎo)致的光旋角，得到堿金屬原子的極化率。其實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0006] (1)以抽運(yùn)光照射氣室，并利用檢測(cè)單元子系統(tǒng)中的λ /2波片測(cè)出由抽運(yùn)光導(dǎo)致 的光旋角θ ρ ;
[0007] (2)在氣室外利用法拉第磁線圈加固定磁場(chǎng)，利用光彈調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出由磁 場(chǎng)導(dǎo)致的法拉第旋轉(zhuǎn)角Θ Β;

【權(quán)利要求】
1. 一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測(cè)量裝置，其特征在于：包括驅(qū)動(dòng)激光 子系統(tǒng)（1)，測(cè)量敏感單元子系統(tǒng)（2)，檢測(cè)單元子系統(tǒng)（3);驅(qū)動(dòng)激光子系統(tǒng)（1)的功能 是極化堿金屬氣室中堿金屬原子，驅(qū)動(dòng)激光子系統(tǒng)（1)包括驅(qū)動(dòng)激光器（11)、驅(qū)動(dòng)擴(kuò)束鏡 (12)、驅(qū)動(dòng)偏振片（13)、驅(qū)動(dòng)λ/4波片（14)，其中驅(qū)動(dòng)激光器（11)產(chǎn)生對(duì)堿金屬原子進(jìn) 行抽運(yùn)的激光，通過(guò)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)束鏡（12)進(jìn)行擴(kuò)束，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)偏振片（13)、驅(qū)動(dòng)λ/4波 片（14)使激光變?yōu)閳A偏振光，進(jìn)而極化堿金屬原子；測(cè)量敏感單元子系統(tǒng)（2)的功能是為 密度與極化率測(cè)量提供物理載體以及溫度與法拉第磁場(chǎng)的測(cè)試條件，測(cè)量敏感單元子系統(tǒng) (2)包括氣室（21)、烤箱（22)、法拉第磁線圈（23)，其中氣室（21)中充有正壓Ν2的堿金屬 蒸汽作為測(cè)量敏感介質(zhì)，烤箱（22)用來(lái)維持一定的溫度使堿金屬原子保持氣態(tài)，法拉第磁 線圈（23)提供一個(gè)穩(wěn)定的法拉第磁場(chǎng)；檢測(cè)單元子系統(tǒng)（3)的功能是測(cè)量不同測(cè)試條件下 檢測(cè)光的偏轉(zhuǎn)角，通過(guò)對(duì)偏轉(zhuǎn)角的解算得到堿金屬蒸汽的原子密度與極化率，檢測(cè)單元子 系統(tǒng)⑶包括檢測(cè)激光器（31)、起偏器（32)、準(zhǔn)直鏡（33)、λ /2波片（34)、λ /4波片（35)、 鎖相放大器（36)、數(shù)據(jù)處理器（37)、光彈調(diào)制器（38)、檢偏器（39)、光電探測(cè)器（310)，其 中檢測(cè)激光器（31)產(chǎn)生檢測(cè)激光，檢測(cè)激光經(jīng)過(guò)起偏器（32)進(jìn)行起偏后進(jìn)入測(cè)量敏感單 元子系統(tǒng)（2)，之后檢測(cè)激光利用準(zhǔn)直鏡（33)進(jìn)行準(zhǔn)直，通過(guò)λ/2波片（34)檢測(cè)抽運(yùn)光 導(dǎo)致的光旋角，再利用由λ/4波片（35)、鎖相放大器（36)、光彈調(diào)制器（38)、光電探測(cè)器 (310)所構(gòu)成的光彈調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量法拉第磁場(chǎng)導(dǎo)致的法拉第旋轉(zhuǎn)角，檢偏器（39)實(shí)現(xiàn) 對(duì)檢測(cè)激光的檢偏，最終通過(guò)數(shù)據(jù)處理器（37)解算堿金屬蒸汽的原子密度與極化率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測(cè)量裝置，其特 征在于：包括以下步驟： (1) 以抽運(yùn)光照射氣室（21)，并利用檢測(cè)單元子系統(tǒng)中的λ/2波片（34)測(cè)出由抽運(yùn) 光導(dǎo)致的光旋角θ Ρ ; (2) 在氣室（21)外利用法拉第磁線圈（23)加固定磁場(chǎng)，利用光彈調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出 由磁場(chǎng)導(dǎo)致的法拉第旋轉(zhuǎn)角θ Β ; (3) 通過(guò)步驟（2)得到的法拉第旋轉(zhuǎn)角解算得到堿金屬蒸氣的原子數(shù)密度，方法為：
其中，Ν為堿金屬蒸氣的原子數(shù)密度，1為氣室長(zhǎng)度，e為電子電荷，μ β為玻爾磁子，Β 為磁場(chǎng)強(qiáng)度，Λ ^為頻率的失諧，Λ ^ = ν - ^表示原子從nS1/2 - ηΡ^躍遷的頻率，其中J表 示原子總角動(dòng)量有1/2與3/2兩種狀態(tài)，ν為原子處于基態(tài)的頻率，為原子處于激發(fā)態(tài) 的頻率，η為原子能級(jí)，S為原子基態(tài)，&為原子第一激發(fā)態(tài)，m為電子質(zhì)量，h為普朗克常 數(shù)，c為光速，Θ B為法拉第偏轉(zhuǎn)角； (4) 通過(guò)步驟⑴得到的光旋角以及步驟（3)得到的堿金屬蒸氣的原子數(shù)密度通過(guò)數(shù) 據(jù)處理器（37)解算出堿金屬原子極化率，方法為：
其中，P為堿金屬原子極化率，N為堿金屬蒸氣的原子數(shù)密度，1為氣室長(zhǎng)度，e為電子電 荷，△ ；r為頻率的失諧△ ；r = v - v ；r表示原子從nS1/2 - 躍遷的頻率，其中J表示原子總 角動(dòng)量有1/2與3/2兩種狀態(tài)，v為原子處于基態(tài)的頻率，^為原子處于激發(fā)態(tài)的頻率， η為原子能級(jí)，S為原子基態(tài)，&為原子第一激發(fā)態(tài)，m為電子質(zhì)量，h為普朗克常數(shù)，c為光 速，θ p為抽運(yùn)光導(dǎo)致的光旋角。
【文檔編號(hào)】G01N9/24GK104215553SQ201410452392
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】全偉, 尚慧寧, 李紅, 房建成, 李洋 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)