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原文传递基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法

专利名称：	基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法
摘要：	本发明提供了一种基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法，采用两个脉冲光源，一个作为信号光，一个作为光学泵浦光。两束光合束后沿两条光路传播，其中一路放置原子池，作为信号光路，一路不放置原子池，作为吸收谱线的校准光路。两路光经探测器转化为电信号后相减，能够去除吸收谱线中由于光路及光源不稳定性带来的影响，提高测量精确度。本发明利用吸收谱线的每个精细吸收峰分别确定处于各个能级的原子密度，填补了原子各能级布居数测定的空白。同时，本发明还能够进一步用于测量光学泵浦制备原子初态的检测。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	上海;31
申请人：	上海交通大学
发明人：	郭进先;吴媛;明胜
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-09T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-20T00:00:00+0800
申请号：	CN201910384979.X
公开号：	CN110146410A
代理机构：	上海汉声知识产权代理有限公司
代理人：	庄文莉
分类号：	G01N9/24(2006.01);G;G01;G01N;G01N9
申请人地址：	200240 上海市闵行区东川路800号
主权项：	1.一种基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置，其特征在于，包括第一相干光源(1)、第一隔离器(3)、第一脉冲调制器(5)、第二相干光源(2)、第二隔离器(4)、第二脉冲调制器(6)、分束器(7)、原子蒸汽池(8)、第一滤光片(11)、第一光电探测器(13)、反射镜(9)、可调衰减片(10)、第二滤光片(12)、第二光电探测器(14)、减法器(15)、数据采集单元(16)；第一相干光源(1)产生的第一光场经过第一隔离器(3)、第一脉冲调制器(5)后到达分束器(7)，第二相干光源(2)产生的第二光场经过第二隔离器(4)、第二脉冲调制器(6)后达到分束器(7)；第一光场、第二光场经由分束器(7)复合后，均分成第一复合光场、第二复合光场，第一复合光场依次经过原子蒸汽池(8)和滤光片(11)后进入第一探测器(13)探测，形成第一信号；第二复合光场依次经过反射镜(8)，可调衰减片(10)和滤光片(12)后进入第二探测器(14)探测，形成第二信号；第一信号、第二信号分别经过减法器(15)相减后传输到数据采集单元(16)。 2.根据权利要求1所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置，其特征在于，所述第一相干光源(1)、第二相干光源(2)均为连续可调谐的激光光源，所述可调谐的范围是能够覆盖原子的能级跃迁频率；所述第一相干光源(1)、第二相干光源(2)的工作波长不相同。 3.一种采用权利要求1或2所述装置的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，包括：扫描步骤：扫描第一相干光源(1)的频率，所述频率的扫描范围覆盖基态所有能级的跃迁频率，将第二相干光源(2)的频率设定为其中的一个跃迁频率；调制步骤：将第一光场、第二光场分别经过第一脉冲调制器(5)、第二脉冲调制器(6)后调制为脉冲光场，所述脉冲光场的脉冲周期与时钟同步，第二脉冲调制器(6)使得第二相干光源(2)产生的第二光场的输出脉宽大于第一时长，所述第二光场的输出脉冲结束第二时长后，第一脉冲调制器(5)使得第一相干光源(1)输出大于第二时长的光脉冲，所述第一时长大于第二时长；加热步骤：加热原子蒸汽池(8)至设定温度，调节可调衰减片(10)的衰减系数，使得可调衰减片(10)的衰减与原子蒸汽池(8)的衰减相同；采集步骤：数据采集单元(16)采集减法器(15)的输出信号，记录第一相干光源(1)的扫描频率，得到原子蒸汽池(8)的吸收谱线；计算步骤：利用吸收谱线，计算原子蒸汽池(8)的原子密度和原子布居数。 4.根据权利要求3所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，在第一相干光源(1)的频率调制端增加线性的频率扫描信号单元，将频率扫描信号单元的输出端传输至数据采集单元(16)，能够实时记录第一相干光源(1)的扫描频率。 5.根据权利要求3所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，所述数据采集单元(16)的输出信号为脉冲信号，取每个脉冲信号的最高点作为原子蒸汽池(8)对光场的吸收强度，记录吸收强度在跃迁频率下对应的吸收谱线。 6.根据权利要求3所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，所述原子密度的计算利用朗伯比尔定律，通过以下公式：其中，ρ表示原子密度； v表示激光频率； dv表示激光频率的微分元； L为原子蒸汽池(8)的长度；下标v表示物理量随频率变化； Iv(0)表示当前激光频率v下的入射光强度，是挡住第一探测器(13)，单独测量第二探测器(14)经减法器(15)后的测量得到的； Iv(L)表示当前激光频率v下的出射光强度； σ(v)表示原子的吸收截面。 7.根据权利要求3所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，还包括泵浦效率检测步骤：在关闭第二相干光源(2)时，得到当前原子样品各能级的布居几率N1,N2,...,Nn，记为第一布居几率，打开第二相干光源(2)，设定激光频率、功率及其脉冲宽度，测量得到当前状态下的原子样品能级布居几率M1,M2,...,Mn，记为第二布居几率，通过如下公式计算得到当前第二相干光源(2)条件下的泵浦效率：其中，ηn表示第二相干光源(2)对第n个吸收峰所对应原子能级的泵浦效率。 8.根据权利要求7所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，截取不同激光频率部分的吸收谱线，利用如下公式得到对应能级的原子布居数几率Nn：其中，下标n取正整数； ρT表示整个吸收谱线对应的总原子密度； ρn表示吸收峰所对应的原子能级的布居密度。
所属类别：	发明专利