CN106017783A - 一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法。该方法首先将充有两种不同气体的碱金属气室加热并控制在稳定的温度；之后，分别测量碱金属原子D1线和D2线的激光吸收光谱，对测得的谱线进行数据处理和拟合得到相应的压力展宽值；最后，根据已知的单位压强气体对应的谱线压力展宽值，计算出两种气体的压强。本方法适用于充制气压较大且包含两种气体的碱金属气室参数的检测，如原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中采用的气室。

Description

一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法

技术领域

本发明涉及一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法，可用于原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中的碱金属气室内部气体参数的测量。

背景技术

碱金属气室是原子磁强计、原子陀螺仪等量子测量仪器的核心敏感器件。碱金属气室内除了碱金属原子外，通常还需要充制一种或者几种气体。以原子磁强计为例，通常需要充制两种气体，一种作为缓冲气体用于降低泡壁碰撞弛豫，另一种作为淬灭气体用于消除辐射俘获效应。气室内充制气体的多少直接影响原子的弛豫以及***其它参数的选取，因此精确检测气室内气体的压强有着重要的意义。

常用的检测方法是测量碱金属气室的激光吸收光谱，由于充制的气体会引起吸收谱线的压力展宽，而不同气体单位压强引起的谱线展宽已有相关文献给出，因此测量谱线展宽值就可以计算出气体的压强。通常采用这种方法时，仅测量碱金属一条精细能级对应的谱线，当气室内仅有一种气体时可以实现对气体压强较精确的测量，但是当充制两种气体时就无法区分两种气体各自的压强，因此通常忽略压强较小的气体，这会导致显著的测量误差。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有常规方法的不足，基于激光吸收光谱的方法，提供一种可同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法。该方法分别测量碱金属原子两条精细能级的吸收谱线，并对两个谱线进行理论拟合得到相应的压力展宽值，再根据已知的两种气体单位压强引起的谱线展宽值解算出两种气体各自的压强。

本发明的技术解决方案为：一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法，其实现方法及步骤如下：

(1)将待测的碱金属气室加热并控制在稳定的温度；

(2)采用波长调谐范围在碱金属原子D1线附近的窄线宽半导体激光器，将窄线宽半导体激光器输出的激光照射于碱金属气室并扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出光学深度曲线；然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，获得D1线的谱线压力展宽值Γ_D1；

(3)将步骤(2)中采用的激光器更换为波长调谐在碱金属原子D2线附近的窄线宽半导体激光器，将窄线宽半导体激光器输出的激光照射于碱金属气室并扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出光学深度曲线；然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，得到碱金属原子D2线的谱线压力展宽值Γ_D2；

(4)利用已知的第一种气体单位压强引起的碱金属D1线和D2压力展宽值Γ_{g1_D1}和Γ_{g1_D2}，和已知的第二种气体单位压强引起的碱金属D1线和D2压力展宽值Γ_{g2_D1}和Γ_{g2_D2}，以及步骤(2)和(3)中获得的Γ_D1和Γ_D2，计算出两种气体各自的压强P₁和P₂，采用的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1{\mathrm{\Γ}}_{g1\_D1}+P_2{\mathrm{\Γ}}_{g2\_D1}={\mathrm{\Γ}}_{D1}\\ P_1{\mathrm{\Γ}}_{g1\_D2}+P_2{\mathrm{\Γ}}_{g2\_D2}={\mathrm{\Γ}}_{D2}\end{array}\right.$

Γ_{g1_D1}、Γ_{g1_D2}、Γ_{g2_D1}、Γ_{g2_D2}这4个参数指的是单位压强引起的压力展宽值，是已知大小的，Γ_D1和Γ_D2这两个参数的值是实际测量得到的压力展宽值。

所述的碱金属气室内充制有两种气体，并且气体引起的压力展宽值远大于自然展宽与多普勒展宽。

所述步骤(2)中的光学深度曲线计算公式为：

$OD\left(v\right)=-ln\frac{I_2}{I_1}$

其中v为入射激光的频率，I₂和I₁分别为碱金属气室出射和入射激光的光强。

所述步骤(2)中的洛伦兹函数为：

$L(v-v_0)=K\frac{{\mathrm{\Γ}}_L/2}{{(v-v_0)}^2+{({\mathrm{\Γ}}_L/2)}^2}$

其中K为比例系数，v为激光频率，v₀为中心频率，Γ_L为洛伦兹曲线的半高全宽。

本发明的原理在于：碱金属原子的吸收谱线具有一定的宽度，在没有其它气体存在的情况下存在自然展宽以及多普勒展宽。当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽，压力展宽的大小与气体的压强成正比，当气室内气体压强较大时，压力展宽将远大于自然展宽和多普勒展宽。碱金属不同的精细能级在不同的气体中展宽值是不同的，已有很多相关文献对单位压强气体引起的各精细能级谱线的压力展宽值进行过详细测量。因此，通过测量两个碱金属精细能级的谱线展宽值，在根据文献中的已知测量结果，就可以计算出两种气体的压强。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过测量碱金属原子两个精细能级D1线和D2线的压力展宽值，根据所充气体已知的单位压强引起的谱线压力展宽值，计算出两种气体的压强，避免了仅测量一个精细能级谱线导致的忽略较小压强气体问题，因此提高了气室内气体压强的测量精度。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为本发明中激光吸收光谱测量的实验装置示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：

(1)将待测的充制有两种气体的碱金属气室8安装于如图2所示的实验***中，将其加热并控制在稳定的温度。激光器1首先采用可调谐范围在碱金属原子D1附近的窄线宽半导体激光器，其输出的激光经过光纤分束器2后分为两束光，一束传输波长计3以测量其频率，另一束传输至光纤准直器4。光纤准直器4将光纤中的激光转换为空间光输出，之后通过起偏器5转换为线偏振光，之后通过分光比为1:1的消偏振分光棱镜分为两束，一束进入光电探测器7，另一束透过碱金属气室8后进入光电探测器9。利用光电探测器7和9测量得到的光强分别I₂和I₁。

(2)将激光器1的输出在碱金属原子D1线附近扫频，记录相应的激光频率v以及光电探测器的输出I₂和I₁，从而实现吸收谱线的测量。根据实验数据计算出碱金属气室8的光学深度曲线OD(v)，公式如下：

$OD\left(v\right)=-ln\frac{I_2}{I_1}$

利用洛伦兹函数对OD(v)进行数据拟合，拟合公式如下：

$L(v-v_0)=K\frac{{\mathrm{\Γ}}_L/2}{{(v-v_0)}^2+{({\mathrm{\Γ}}_L/2)}^2}$

其中L(v-v₀)为洛伦兹函数，K为比例系数，v为激光频率，v₀为中心频率，Γ_L为洛伦兹曲线的半高全宽，即碱金属原子D1线的谱线压力展宽值Γ_D1。

(3)将步骤(2)中采用的激光器1更换为波长调谐在碱金属原子D2线附近的窄线宽半导体激光器，将激光器1的输出在碱金属原子D2线附近扫频，其它实验过程与步骤(2)相同，获得碱金属原子D2线的谱线压力展宽值Γ_D2；

(4)利用已知的第一种气体单位压强引起的碱金属D1线和D2压力展宽值Γ_{g1_D1}和Γ_{g1_D2}，和已知的第二种气体单位压强引起的碱金属D1线和D2压力展宽值Γ_{g2_D1}和Γ_{g2_D2}，以及步骤(2)和(3)中获得的Γ_D1和Γ_D2，计算出两种的气体的压强大小P₁和P₂，计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1{\mathrm{\Γ}}_{g1\_D1}+P_2{\mathrm{\Γ}}_{g2\_D1}={\mathrm{\Γ}}_{D1}\\ P_1{\mathrm{\Γ}}_{g1\_D2}+P_2{\mathrm{\Γ}}_{g2\_D2}={\mathrm{\Γ}}_{D2}\end{array}\right.$

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将待测的碱金属气室加热并控制在稳定的温度；

(2)采用波长调谐范围在碱金属原子D1线附近的窄线宽半导体激光器，将窄线宽半导体激光器输出的激光照射于碱金属气室并扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出光学深度曲线；然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，获得D1线的谱线压力展宽值Γ_D1；

(3)将步骤(2)中采用的激光器更换为波长调谐在碱金属原子D2线附近的窄线宽半导体激光器，将窄线宽半导体激光器输出的激光照射于碱金属气室并扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出光学深度曲线；然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，得到碱金属原子D2线的谱线压力展宽值Γ_D2；

(4)利用已知的第一种气体单位压强引起的碱金属D1线和D2压力展宽值Γ_{g1_D1}和Γ_{g1_D2}，和已知的第二种气体单位压强引起的碱金属D1线和D2压力展宽值Γ_{g2_D1}和Γ_{g2_D2}，以及步骤(2)和(3)中获得的Γ_D1和Γ_D2，计算出两种气体各自的压强P₁和P₂，采用的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1{\mathrm{\Γ}}_{g1\_D1}+P_2{\mathrm{\Γ}}_{g2\_D1}={\mathrm{\Γ}}_{D1}\\ P_1{\mathrm{\Γ}}_{g1\_D2}+P_2{\mathrm{\Γ}}_{g2\_D2}={\mathrm{\Γ}}_{D2}\end{array}\right.$

Γ_{g1_D1}、Γ_{g1_D2}、Γ_{g2_D1}、Γ_{g2_D2}这4个参数指的是单位压强引起的压力展宽值，是已知大小的，Γ_D1和Γ_D2这两个参数的值是实际测量得到的压力展宽值。

2.根据权利要求1所述的一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法，其特征在于：所述的碱金属气室内充制有两种气体，并且气体引起的压力展宽值远大于自然展宽与多普勒展宽。

3.根据权利要求1所述的一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的光学深度曲线计算公式为：

$OD\left(v\right)=-\ln \frac{I_2}{I_1}$

其中v为入射激光的频率，I₂和I₁分别为碱金属气室出射和入射激光的光强。

4.根据权利要求1所述的一种同时测量碱金属气室内两种气体压强的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的洛伦兹函数为：

$L(v-v_0)=K\frac{{\mathrm{\Γ}}_L/2}{{(v-v_0)}^2+{({\mathrm{\Γ}}_L/2)}^2}$

其中K为比例系数，v为激光频率，v₀为中心频率，Γ_L为洛伦兹曲线的半高全宽。