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一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，包括驱动激光子系统，测量敏感单元子系统，检测单元子系统。其中，测量敏感单元子系统的功能是为密度与极化率测量提供物理载体以及测试条件；驱动激光子系统的功能是极化气室中碱金属原子；检测单元子系统的功能是测量不同测试条件下检测光的偏转角，解算偏转角得到原子密度与极化率。该装置利用驱动激光子系统产生抽运光照射气室，在测量敏感单元子系统中加固定磁场以产生法拉第旋转角，利用检测单元子系统测量检测光的偏转角，最终通过数据处理器解算出原子密度与极化率。该装置具有测量系统简单，测量精度高的特点，对提高原子惯性与磁场测量的灵敏度具有重要作用。
【专利说明】一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及超高灵敏原子自旋惯性测量【技术领域】，具体涉及一种碱金属蒸汽原子 密度与极化率的测量装置，可用于研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态的操控。

【背景技术】
[0002] 碱金属原子极化率的测量对于研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态下的行为有 着重要的作用。现今超高精度惯性导航与制导迫切需要超高灵敏惯性测量，惯性测量精度 是决定导航与制导精度的核心。原子自旋极化率的稳定性直接影响超高灵敏原子自旋惯性 测量标度因数的稳定性，对原子自旋极化率的测量显得尤为重要。同时惰性气体的核自旋 需要借助碱金属原子的电子自旋极化，最终实现核自旋的超极化，其中核自旋的极化率也 需要利用碱金属原子自旋极化率来计算。目前碱金属原子极化率的测量装置主要为射频磁 场装置，使射频磁场在碱金属原子的共振频率处导致一种依赖极化率的跃迁，通过这种方 法使射频共振被观测到以实现对极化率的测量。此装置在测量过程中需要调节磁场，得到 连续磁场变化下的转角信息，并进行数据曲线处理，对数据采集系统要求高。碱金属蒸汽原 子密度与碱金属原子极化率都对研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态有着重要的作用，目 前这两种物理量需要利用两套不同的装置分别测出，而且传统测量碱金属蒸汽原子密度与 碱金属原子极化率装置存在设备以及实验条件较为复杂等问题。


【发明内容】

[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种碱金属蒸汽的原子密 度与极化率一体化测量装置，利用法拉第磁光效应原理以及光偏振自旋转原理，对碱金属 原子加法拉第磁场并进行激光抽运，利用一套装置测出碱金属蒸汽原子密度以及碱金属原 子极化率。
[0004] 本发明所采用的技术方案是：一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量 装置，包括驱动激光子系统，测量敏感单元子系统，检测单元子系统；驱动激光子系统的功 能是极化碱金属气室中碱金属原子，系统包括驱动激光器、驱动扩束镜、驱动偏振片、驱动 λ /4波片，其中驱动激光器产生对碱金属原子进行抽运的激光，通过驱动扩束镜进行扩束， 然后通过驱动偏振片、驱动λ/4波片使激光变为圆偏振光，进而极化碱金属原子；测量敏 感单元子系统的功能是为原子密度与极化率测量提供物理载体以及温度与法拉第磁场的 测试条件，系统包括气室、烤箱、法拉第磁线圈，其中气室中充有正压队的碱金属蒸汽作为 测量敏感介质，烤箱用来维持一定的温度使碱金属原子保持气态，法拉第磁线圈提供一个 稳定的法拉第磁场；检测单元子系统的功能是测量不同测试条件下检测光的偏转角，通过 对偏转角的解算得到碱金属蒸汽原子密度与极化率，系统包括检测激光器、起偏器、准直 镜、λ/2波片、λ/4波片、锁相放大器、数据处理器、光弹调制器、检偏器、光电探测器，其中 检测激光器产生检测激光，起偏器与检偏器实现对检测激光的起偏与检偏，检测激光通过 准直镜进行准直，λ/2波片用于检测抽运光导致的光旋角，由λ/4波片、锁相放大器、光 弹调制器、光电探测器所构成的光弹调制检测系统用于测量法拉第磁场导致的法拉第旋转 角，最终通过数据处理器解算碱金属蒸汽的原子密度与极化率。
[0005] 该装置测量方法为：首先将充有正压的N2的碱金属气室均匀加热至碱金属蒸气饱 和；其次，以驱动激光子系统的抽运光照射气室，并以检测单元子系统的检测光测出抽运光 导致的光旋角；最后，在测量敏感单元子系统的碱金属气室外加固定磁场，并利用光弹调制 检测系统检测出法拉第旋转角。对得到的角度数据进行处理，继而得到碱金属蒸气原子密 度，然后根据抽运光导致的光旋角，得到碱金属原子的极化率。其实现步骤如下：
[0006] (1)以抽运光照射气室，并利用检测单元子系统中的λ /2波片测出由抽运光导致 的光旋角θ ρ ;
[0007] (2)在气室外利用法拉第磁线圈加固定磁场，利用光弹调制检测系统检测出由磁 场导致的法拉第旋转角Θ Β;

【权利要求】
1. 一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，其特征在于：包括驱动激光 子系统（1)，测量敏感单元子系统（2)，检测单元子系统（3);驱动激光子系统（1)的功能 是极化碱金属气室中碱金属原子，驱动激光子系统（1)包括驱动激光器（11)、驱动扩束镜 (12)、驱动偏振片（13)、驱动λ/4波片（14)，其中驱动激光器（11)产生对碱金属原子进 行抽运的激光，通过驱动扩束镜（12)进行扩束，然后通过驱动偏振片（13)、驱动λ/4波 片（14)使激光变为圆偏振光，进而极化碱金属原子；测量敏感单元子系统（2)的功能是为 密度与极化率测量提供物理载体以及温度与法拉第磁场的测试条件，测量敏感单元子系统 (2)包括气室（21)、烤箱（22)、法拉第磁线圈（23)，其中气室（21)中充有正压Ν2的碱金属 蒸汽作为测量敏感介质，烤箱（22)用来维持一定的温度使碱金属原子保持气态，法拉第磁 线圈（23)提供一个稳定的法拉第磁场；检测单元子系统（3)的功能是测量不同测试条件下 检测光的偏转角，通过对偏转角的解算得到碱金属蒸汽的原子密度与极化率，检测单元子 系统⑶包括检测激光器（31)、起偏器（32)、准直镜（33)、λ /2波片（34)、λ /4波片（35)、 锁相放大器（36)、数据处理器（37)、光弹调制器（38)、检偏器（39)、光电探测器（310)，其 中检测激光器（31)产生检测激光，检测激光经过起偏器（32)进行起偏后进入测量敏感单 元子系统（2)，之后检测激光利用准直镜（33)进行准直，通过λ/2波片（34)检测抽运光 导致的光旋角，再利用由λ/4波片（35)、锁相放大器（36)、光弹调制器（38)、光电探测器 (310)所构成的光弹调制检测系统测量法拉第磁场导致的法拉第旋转角，检偏器（39)实现 对检测激光的检偏，最终通过数据处理器（37)解算碱金属蒸汽的原子密度与极化率。
2. 根据权利要求1所述的一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置，其特 征在于：包括以下步骤： (1) 以抽运光照射气室（21)，并利用检测单元子系统中的λ/2波片（34)测出由抽运 光导致的光旋角θ Ρ ; (2) 在气室（21)外利用法拉第磁线圈（23)加固定磁场，利用光弹调制检测系统检测出 由磁场导致的法拉第旋转角θ Β ; (3) 通过步骤（2)得到的法拉第旋转角解算得到碱金属蒸气的原子数密度，方法为：
其中，Ν为碱金属蒸气的原子数密度，1为气室长度，e为电子电荷，μ β为玻尔磁子，Β 为磁场强度，Λ ^为频率的失谐，Λ ^ = ν - ^表示原子从nS1/2 - ηΡ^跃迁的频率，其中J表 示原子总角动量有1/2与3/2两种状态，ν为原子处于基态的频率，为原子处于激发态 的频率，η为原子能级，S为原子基态，&为原子第一激发态，m为电子质量，h为普朗克常 数，c为光速，Θ B为法拉第偏转角； (4) 通过步骤⑴得到的光旋角以及步骤（3)得到的碱金属蒸气的原子数密度通过数 据处理器（37)解算出碱金属原子极化率，方法为：
其中，P为碱金属原子极化率，N为碱金属蒸气的原子数密度，1为气室长度，e为电子电 荷，△ ；r为频率的失谐△ ；r = v - v ；r表示原子从nS1/2 - 跃迁的频率，其中J表示原子总 角动量有1/2与3/2两种状态，v为原子处于基态的频率，^为原子处于激发态的频率， η为原子能级，S为原子基态，&为原子第一激发态，m为电子质量，h为普朗克常数，c为光 速，θ p为抽运光导致的光旋角。
【文档编号】G01N9/24GK104215553SQ201410452392
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】全伟, 尚慧宁, 李红, 房建成, 李洋 申请人:北京航空航天大学