CN110441124A - 用于原子自旋磁场测试的激光加热装置及加热方法 - Google Patents

用于原子自旋磁场测试的激光加热装置及加热方法 Download PDF

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李韬
张福家
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Abstract

本发明公开了一种用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，包括外腔室、内腔室、吸热片和加热激光；内腔室用于注入待测气体；内腔室置于外腔室的内部，外腔室与内腔室之间形成真空层，吸热片贴合安装于内腔室的腔壁上，加热激光位于外腔室外部，用于照射吸热片以将光能转化为热能，对内腔室内的待测气体进行加热。本发明还公开了一种基于如上的原子自旋磁场测试的激光加热装置的加热方法，加热激光发射激光至吸热片，吸热片将光能转换为热能；吸热片的热能以热传导的方式经内腔室的腔壁传递至内部的待测气体，其中真空层用于对内腔室进行保温。本发明的装置及方法均具有加热速度快、测试精度高等优点。

Description

用于原子自旋磁场测试的激光加热装置及加热方法
技术领域
本发明主要涉及原子自旋磁场测试技术领域，特指一种用于原子自旋磁场测试的激光加热装置及加热方法。
背景技术
在利用碱金属原子自旋测试原子的环境磁场时，碱金属原子会绕磁场向进行自旋进动，磁场的大小与自旋进动相关，在此过程中需要将碱金属原子加热到特定的温度。现有的气体的加热方法，主要是对封装气体腔进行热电阻接触式加热或者通过热气体传热加热气体腔室的方法进行加热，然后由热电偶进行温度测试。热电阻方式加热自身加导线会产生一定的磁场，而热气体传热的方法需要消耗很大的功率，不适合小型仪器的使用，同时由于使用热电偶对温度进行测量，又会产生一定的磁场，所以此类方法对弱磁场的测试会造成比较大的干扰，为了减少干扰，又会增加***的复杂性，增加了***误差，影响测试的准确性。另外热气流加热的方法需要首先对加热气流加热，此过程中需要较大的功率，不适合小型仪器的使用场所，增加***整体复杂性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种加热速度快、测试精度高的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置及加热方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，包括外腔室、内腔室、吸热片和加热激光；所述内腔室用于注入待测气体；所述内腔室置于所述外腔室的内部，所述外腔室与内腔室之间形成真空层，所述吸热片贴合安装于所述内腔室的腔壁上，所述加热激光位于所述外腔室外部，用于照射所述吸热片以将光能转化为热能，对内腔室内的待测气体进行加热。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述吸热片为吸热硅片。
所述内腔室上设置有夹层，所述夹层与内腔室的腔壁之间形成用于容纳所述吸热硅片的空腔，所述吸热硅片夹设于所述空腔内。
所述空腔与所述外腔室的内部空间相连通。
所述夹层为石英片。
还包括用于检测所述内腔室内待测气体温度的温度检测组件，所述温度检测组件与所述加热激光相连，用于调整加热激光功率以形成闭环控制。
所述温度检测组件包括检测激光、光电探测器和处理器，所述检测激光、光电探测器和处理器均位于所述外腔室的外部，所述检测激光用于向所述内腔室发射激光，所述光电探测器用于接收所述经过内腔室的激光并转换为电信号发送至处理器，所述处理器用于对电信号进行处理得到温度信号。
所述加热激光与检测激光发射的激光相互垂直。
本发明还公开了一种基于如上所述的原子自旋磁场测试的激光加热装置的加热方法，
所述加热激光发射激光至所述吸热片，所述吸热片将光能转换为热能；
所述吸热片的热能以热传导的方式经内腔室的腔壁传递至内部的待测气体，其中真空层用于对内腔室进行保温。
作为上述技术方案的进一步改进：
通过检测光路测试光路法拉第旋光角的方法测量内腔室中待测气体的温度；
将测量的温度值反馈至加热激光，对加热激光的功率进行调节，以保持待测气体的温度处于恒定范围内。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)采用加热激光与吸热片相配合的方式，实现非直接接触的加热方式，避免由于接触(如热电阻等方式)造成的自身***误差，提高了测试的准确度；
(2)采用加热激光与吸热片相配合的方式，自身不会产生磁场而影响原有环境磁场的测量，进一步提高测试的准确度(而常规的热电阻方式，由于离待测气体太近，产生的磁场会影响弱磁的测量)；
(3)采用加热激光与吸热片相配合的方式，加热速度快；
(4)采用真空层用于对内腔室进行保温，不需要用保温材料覆盖，使得整个测试***更加简洁，可靠性更高，从而也降低了整个***的***误差，再一步提高了测试准确度。
(5)采用的温度闭环控制策略，能够提高加热精度，从而提高测试精度；
(6)通过非接触式的温度测量方式，避免由于接触(如热电偶等方式)造成的自身***误差，提高了测试的准确度；另外温度检测组件自身不会产生磁场而影响原有环境磁场的测量，进一步提高测试的准确度(而常规的热电偶方式，由于离待测气体太近，产生的磁场会影响弱磁的测量)；
(7)上述温度测量方式响应快，闭环控制精度高，温度恒定，提高了测试精度。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构示意图。
图2为本发明实施例的剖面结构示意图。
图3为本发明实施例中吸热硅片及夹层的结构示意图。
图4为本发明实施例中的加热控制方框图。
图中标号表示：1、外腔室；2、内腔室；3、吸热片；4、加热激光；5、真空层；6、夹层；601、空腔；7、温度检测组件；701、检测激光；702、光电探测器；703、处理器。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本实施例的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，包括外腔室1、内腔室2、吸热片3和加热激光4；内腔室2用于注入待测气体(如碱金属原子铷、铯等)；内腔室2置于外腔室1的内部，外腔室1与内腔室2之间形成真空层5，吸热片3贴合安装于内腔室2的外壁上，加热激光4位于外腔室1外部，用于照射吸热片3以将光能转化为热能，经内腔室2的腔壁对内部的待测气体进行加热。在进行测试时，加热激光4发射激光至吸热片3，吸热片3将光能转换为热能，吸热片3的热能以热传导的方式经内腔室2的腔壁传递至内部的待测气体，从而实现对待检测气体的加热；其中真空层5用于对内腔室2进行保温。
本发明的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，具有如下技术效果：
采用加热激光4与吸热片3相配合的方式，实现非直接接触的加热方式，避免由于接触(如热电阻等方式)造成的自身***误差，提高了后续磁场测试的准确度；
采用加热激光4与吸热片3相配合的方式，自身不会产生磁场而影响原有环境磁场的测量，进一步提高测试的准确度(而常规的热电阻方式，由于离待测气体太近，产生的磁场会影响弱磁的测量)；
采用加热激光4与吸热片3相配合的方式，加热速度快；
采用真空层5用于对内腔室2进行保温，不需要用保温材料覆盖，使得整个测试***更加简洁，可靠性更高，从而也降低了整个***的***误差，再一步提高了测试准确度。
如图3所示，吸热片3为吸热硅片。由于在内腔室2的制造过程中，会产生1000℃以上的高温，而硅片能够承受上述高温；当然，在其它实施例中，吸热片3也可以选择其它耐高温的能吸收激光能量转化为热能的材料代替。其中内腔室2上设置有夹层6，夹层6与内腔室2的腔壁之间形成用于容纳吸热硅片的空腔601，吸热硅片夹设于空腔601内，通过夹层6将吸热硅片固定于腔壁上。另外，空腔601与外腔室1的内部空间相连通，保证空腔601内真空度与外腔室1的真空度一致，避免空腔601内的吸热硅片在加热后产生气体膨胀而产生危险。其中夹层6的材料为石英玻璃，整个外腔室1和内腔室2均采用石英玻璃制成。当然，在其它实施例中，也可以通过其它固定方式实现对吸热片3的固定。
如图1和图4所示，本实施例中，还包括用于检测内腔室2内待测气体温度的温度检测组件7，温度检测组件7与加热激光4相连，用于调整加热激光4功率以形成闭环控制，从而保证待检测气体的温度处于恒定范围内，提高测试的可靠性。其中吸热硅片位于内腔室2的顶侧，加热激光4则位于外腔室1的顶侧且正对吸热硅片；检测激光701则位于外腔室1的周侧，加热激光4与检测激光701发射的激光相互垂直，从而避免相互干扰。
本实施例中，温度检测组件7包括检测激光701、光电探测器702和处理器703，检测激光701、光电探测器702和处理器703均位于外腔室1的外部，检测激光701用于向内腔室2发射激光，光电探测器702用于接收经过内腔室2的激光并转换为电信号发送至处理器703，处理器703用于对电信号进行转换得到温度信号，再将温度信号反馈至加热激光4处，从而调整加热激光4发出的激光功率，形成闭环控制。具体地，检测激光701发射的检测光路可以选择法拉第旋光角测量光路，检测光通过双层腔室(外腔室1和内腔室2)，然后由光电探测器702接收，接收到的信号由处理器703处理，根据测试得到的温度，实时对温度控制，由温度反馈控制装置控制加热激光4的功率增大或者降低，从而对温度控制实现闭环，最后测试结果由处理器703输出。检测光路可以是激光通过气体后法拉第旋光角的测试得出温度值，也可以通过其它气体测试原理光路得出气体的温度。其中法拉第旋光角测量方法属于常规检测方法，具体为：激光通过偏振器成为线偏振光后，通过处于磁场中的各向同性介质是其偏振面会发生旋转的现象，在此即为充有碱金属气体的腔室，偏振面的旋转角度与磁感应强度在光的传播方向成比例，而磁场强度与碱金属原子自旋进动相关，自旋进动的频率与气体原子的温度相关，从而测量出气体温度。
上述采用的温度闭环控制策略，能够提高加热精度，从而提高后续测试精度；另外，通过上述非接触式的温度测量方式，避免由于接触(如热电偶等方式)造成的自身***误差，提高了测试的准确度；另外温度检测组件7自身不会产生磁场而影响原有环境磁场的测量，进一步提高测试的准确度(而常规的热电偶方式，由于离待测气体太近，产生的磁场会影响弱磁的测量)；另外，上述温度测量方式响应快，闭环控制精度高，温度恒定，提高了测试精度。
本发明还相应公开了一种基于如上所述的原子自旋磁场测试的激光加热装置的加热方法，具体为：
加热激光4发射激光至吸热片3，吸热片3将光能转换为热能；
吸热片3的热能以热传导的方式经内腔室2的腔壁传递至内部的待测气体，其中真空层5用于对内腔室2进行保温。
本实施例中，通过检测光路测试光路法拉第旋光角的方法测量内腔室2中待测气体的温度；
将测量的温度值反馈至加热激光4，对加热激光4的功率进行调节，以保持待测气体的温度处于恒定范围内。具体的加热方法及温度测量方法可参考上述加热装置中的描述。
本发明的加热方法，基于上述原子自旋磁场测试的激光加热装置来实现，不仅具有上述加热装置的优点，而且操作简便、易于实现。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，其特征在于，包括外腔室(1)、内腔室(2)、吸热片(3)和加热激光(4)；所述内腔室(2)用于注入待测气体；所述内腔室(2)置于所述外腔室(1)的内部，所述外腔室(1)与内腔室(2)之间形成真空层(5)，所述吸热片(3)贴合安装于所述内腔室(2)的腔壁上，所述加热激光(4)位于所述外腔室(1)外部，用于照射所述吸热片(3)以将光能转化为热能，对内腔室(2)内的待测气体进行加热。
2.根据权利要求1所述的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，其特征在于，所述吸热片(3)为吸热硅片。
3.根据权利要求2所述的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，其特征在于，所述内腔室(2)上设置有夹层(6)，所述夹层(6)与内腔室(2)的腔壁之间形成用于容纳所述吸热硅片的空腔(601)，所述吸热硅片夹设于所述空腔(601)内。
4.根据权利要求3所述的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，其特征在于，所述空腔(601)与所述外腔室(1)的内部空间相连通。
5.根据权利要求3所述的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，其特征在于，所述夹层(6)为石英片。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，其特征在于，还包括用于检测所述内腔室(2)内待测气体温度的温度检测组件(7)，所述温度检测组件(7)与所述加热激光(4)相连，用于调整加热激光(4)功率以形成闭环控制。
7.根据权利要求6所述的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，其特征在于，所述温度检测组件(7)包括检测激光(701)、光电探测器(702)和处理器(703)，所述检测激光(701)、光电探测器(702)和处理器(703)均位于所述外腔室(1)的外部，所述检测激光(701)用于向所述内腔室(2)发射激光，所述光电探测器(702)用于接收所述经过内腔室(2)的激光并转换为电信号发送至处理器(703)，所述处理器(703)用于对电信号进行处理得到温度信号。
8.根据权利要求7所述的用于原子自旋磁场测试的激光加热装置，其特征在于，所述加热激光(4)与检测激光(701)发射的激光相互垂直。
9.一种基于权利要求1至8中任意一项所述的原子自旋磁场测试的激光加热装置的加热方法，其特征在于：
所述加热激光(4)发射激光至所述吸热片(3)，所述吸热片(3)将光能转换为热能；
所述吸热片(3)的热能以热传导的方式经内腔室(2)的腔壁传递至内部的待测气体，其中真空层(5)用于对内腔室(2)进行保温。
10.根据权利要求9所述的加热方法，其特征在于，通过检测光路测试光路法拉第旋光角的方法测量内腔室(2)中待测气体的温度；
将测量的温度值反馈至加热激光(4)，对加热激光(4)的功率进行调节，以保持待测气体的温度处于恒定范围内。
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