一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測量裝置，包括驅動激光子系統(tǒng)，測量敏感單元子系統(tǒng)，檢測單元子系統(tǒng)。其中，測量敏感單元子系統(tǒng)的功能是為密度與極化率測量提供物理載體以及測試條件；驅動激光子系統(tǒng)的功能是極化氣室中堿金屬原子；檢測單元子系統(tǒng)的功能是測量不同測試條件下檢測光的偏轉角，解算偏轉角得到原子密度與極化率。該裝置利用驅動激光子系統(tǒng)產(chǎn)生抽運光照射氣室，在測量敏感單元子系統(tǒng)中加固定磁場以產(chǎn)生法拉第旋轉角，利用檢測單元子系統(tǒng)測量檢測光的偏轉角，最終通過數(shù)據(jù)處理器解算出原子密度與極化率。該裝置具有測量系統(tǒng)簡單，測量精度高的特點，對提高原子慣性與磁場測量的靈敏度具有重要作用。
【專利說明】一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測量裝置
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及超高靈敏原子自旋慣性測量【技術領域】，具體涉及一種堿金屬蒸汽原子 密度與極化率的測量裝置，可用于研究原子自旋處于無自旋交換弛豫態(tài)的操控。
【背景技術】
[0002] 堿金屬原子極化率的測量對于研究原子自旋處于無自旋交換弛豫態(tài)下的行為有 著重要的作用?，F(xiàn)今超高精度慣性導航與制導迫切需要超高靈敏慣性測量，慣性測量精度 是決定導航與制導精度的核心。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 測量標度因數(shù)的穩(wěn)定性，對原子自旋極化率的測量顯得尤為重要。同時惰性氣體的核自旋 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計算。目前堿金屬原子極化率的測量裝置主要為射頻磁 場裝置，使射頻磁場在堿金屬原子的共振頻率處導致一種依賴極化率的躍遷，通過這種方 法使射頻共振被觀測到以實現(xiàn)對極化率的測量。此裝置在測量過程中需要調(diào)節(jié)磁場，得到 連續(xù)磁場變化下的轉角信息，并進行數(shù)據(jù)曲線處理，對數(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研究原子自旋處于無自旋交換弛豫態(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出，而且傳統(tǒng)測量堿金屬蒸汽原子密度與 堿金屬原子極化率裝置存在設備以及實驗條件較為復雜等問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種堿金屬蒸汽的原子密 度與極化率一體化測量裝置，利用法拉第磁光效應原理以及光偏振自旋轉原理，對堿金屬 原子加法拉第磁場并進行激光抽運，利用一套裝置測出堿金屬蒸汽原子密度以及堿金屬原 子極化率。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術方案是：一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測量 裝置，包括驅動激光子系統(tǒng)，測量敏感單元子系統(tǒng)，檢測單元子系統(tǒng)；驅動激光子系統(tǒng)的功 能是極化堿金屬氣室中堿金屬原子，系統(tǒng)包括驅動激光器、驅動擴束鏡、驅動偏振片、驅動 λ /4波片，其中驅動激光器產(chǎn)生對堿金屬原子進行抽運的激光，通過驅動擴束鏡進行擴束， 然后通過驅動偏振片、驅動λ/4波片使激光變?yōu)閳A偏振光，進而極化堿金屬原子；測量敏 感單元子系統(tǒng)的功能是為原子密度與極化率測量提供物理載體以及溫度與法拉第磁場的 測試條件，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的堿金屬蒸汽作為 測量敏感介質，烤箱用來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 穩(wěn)定的法拉第磁場；檢測單元子系統(tǒng)的功能是測量不同測試條件下檢測光的偏轉角，通過 對偏轉角的解算得到堿金屬蒸汽原子密度與極化率，系統(tǒng)包括檢測激光器、起偏器、準直 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、光電探測器，其中 檢測激光器產(chǎn)生檢測激光，起偏器與檢偏器實現(xiàn)對檢測激光的起偏與檢偏，檢測激光通過 準直鏡進行準直，λ/2波片用于檢測抽運光導致的光旋角，由λ/4波片、鎖相放大器、光 彈調(diào)制器、光電探測器所構成的光彈調(diào)制檢測系統(tǒng)用于測量法拉第磁場導致的法拉第旋轉 角，最終通過數(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，以驅動激光子系統(tǒng)的抽運光照射氣室，并以檢測單元子系統(tǒng)的檢測光測出抽運光 導致的光旋角；最后，在測量敏感單元子系統(tǒng)的堿金屬氣室外加固定磁場，并利用光彈調(diào)制 檢測系統(tǒng)檢測出法拉第旋轉角。對得到的角度數(shù)據(jù)進行處理，繼而得到堿金屬蒸氣原子密 度，然后根據(jù)抽運光導致的光旋角，得到堿金屬原子的極化率。其實現(xiàn)步驟如下：
[0006] (1)以抽運光照射氣室，并利用檢測單元子系統(tǒng)中的λ /2波片測出由抽運光導致 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，利用光彈調(diào)制檢測系統(tǒng)檢測出由磁 場導致的法拉第旋轉角Θ Β;
【權利要求】
1. 一種堿金屬蒸汽的原子密度與極化率一體化測量裝置，其特征在于：包括驅動激光 子系統(tǒng)（1)，測量敏感單元子系統(tǒng)（2)，檢測單元子系統(tǒng)（3);驅動激光子系統(tǒng)（1)的功能 是極化堿金屬氣室中堿金屬原子，驅動激光子系統(tǒng)（1)包括驅動激光器（11)、驅動擴束鏡 (12)、驅動偏振片（13)、驅動λ/4波片（14)，其中驅動激光器（11)產(chǎn)生對堿金屬原子進 行抽運的激光，通過驅動擴束鏡（12)進行擴束，然后通過驅動偏振片（13)、驅動λ/4波 片（14)使激光變?yōu)閳A偏振光，進而極化堿金屬原子；測量敏感單元子系統(tǒng)（2)的功能是為 密度與極化率測量提供物理載體以及溫度與法拉第磁場的測試條件，測量敏感單元子系統(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 蒸汽作為測量敏感介質，烤箱（22)用來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)提供一個穩(wěn)定的法拉第磁場；檢測單元子系統(tǒng)（3)的功能是測量不同測試條件下 檢測光的偏轉角，通過對偏轉角的解算得到堿金屬蒸汽的原子密度與極化率，檢測單元子 系統(tǒng)⑶包括檢測激光器（31)、起偏器（32)、準直鏡（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)、光電探測器（310)，其 中檢測激光器（31)產(chǎn)生檢測激光，檢測激光經(jīng)過起偏器（32)進行起偏后進入測量敏感單 元子系統(tǒng)（2)，之后檢測激光利用準直鏡（33)進行準直，通過λ/2波片（34)檢測抽運光 導致的光旋角，再利用由λ/4波片（35)、鎖相放大器（36)、光彈調(diào)制器（38)、光電探測器 (310)所構成的光彈調(diào)制檢測系統(tǒng)測量法拉第磁場導致的法拉第旋轉角，檢偏器（39)實現(xiàn) 對檢測激光的檢偏，最終通過數(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量裝置，其特 征在于：包括以下步驟： (1) 以抽運光照射氣室（21)，并利用檢測單元子系統(tǒng)中的λ/2波片（34)測出由抽運 光導致的光旋角θ Ρ ; (2) 在氣室（21)外利用法拉第磁線圈（23)加固定磁場，利用光彈調(diào)制檢測系統(tǒng)檢測出 由磁場導致的法拉第旋轉角θ Β ; (3) 通過步驟（2)得到的法拉第旋轉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為氣室長度，e為電子電荷，μ β為玻爾磁子，Β 為磁場強度，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，S為原子基態(tài)，&為原子第一激發(fā)態(tài)，m為電子質量，h為普朗克常 數(shù)，c為光速，Θ B為法拉第偏轉角； (4) 通過步驟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，S為原子基態(tài)，&為原子第一激發(fā)態(tài)，m為電子質量，h為普朗克常數(shù)，c為光 速，θ p為抽運光導致的光旋角。
【文檔編號】G01N9/24GK104215553SQ201410452392
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權日:2014年9月5日
【發(fā)明者】全偉, 尚慧寧, 李紅, 房建成, 李洋 申請人:北京航空航天大學
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