本發(fā)明屬于原子鐘、原子陀螺儀及原子磁力儀的量子技術領域，具體涉及一種原子氣室內部緩沖氣體壓強的測量裝置。

背景技術：

原子氣室作為原子鐘、原子陀螺儀、原子磁力儀等量子技術的核心組件，其線寬、馳豫時間是最為關鍵的性能指標。氣室內部線寬、馳豫時間主要由緩沖氣體的壓強及種類決定，而原子氣室充制完成后，很難在不破壞原子氣室前提下，對其內部緩沖氣體的壓強進行測量和確定。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種原子氣室內部緩沖氣體壓強的測量裝置，解決了原子氣室在完成充制后，無法測量氣室內部緩沖氣體壓強的技術難題。

本發(fā)明是通過下述技術方案實現(xiàn)的：

一種原子氣室內部緩沖氣體壓強的測量裝置，包括：激光器、準直透鏡、衰減片、偏振片、1/4波片、測量探頭、支板、激光器穩(wěn)頻模塊、微波信號源、三角波信號源及控制單元；

外圍設備為：待測的原子氣室，原子氣室內設有堿金屬原子和需要測量壓強的緩沖氣體；

整體連接關系如下：激光器穩(wěn)頻模塊、微波信號源、三角波信號源及控制單元均安裝在外部的支撐結構上；激光器、準直透鏡、衰減片、偏振片、1/4波片及測量探頭依次安裝在支板上；所述測量探頭包括：保溫層、光電探測器、加熱絲、磁場線圈及外層屏蔽殼；所述保溫層和外層屏蔽殼均為c型支架；保溫層套裝在外層屏蔽殼的c型腔中，磁場線圈安裝在外層屏蔽殼內，加熱絲安裝在保溫層的相對的兩個端面內，光電探測器安裝在保溫層的內底面上；原子氣室安裝在保溫層的c型腔中；

其中，所述激光器、準直透鏡、衰減片、偏振片及1/4波片組成光源；激光器發(fā)出發(fā)散的激光，準直透鏡將發(fā)散的激光轉換為平行光，衰減片調節(jié)平行光的光強，偏振片將所述平行光的偏振態(tài)轉變?yōu)榫€偏振態(tài)，1/4波片將所述平行光的線偏振態(tài)轉變?yōu)閳A偏振態(tài)；所述原子氣室位于所述圓偏振態(tài)的平行光形成的光場中；

所述激光器穩(wěn)頻模塊用于將激光器發(fā)出的激光的工作頻率鎖定為堿金屬原子基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷頻率，進而鎖定激光器發(fā)出的激光的工作波長；

所述微波信號源用于對激光器進行調制，使激光器發(fā)出的激光為調制光譜；使所述調制光譜中的±1級邊帶與待測的原子氣室內的緩沖氣體相互作用，產(chǎn)生電磁感應透明信號現(xiàn)象，同時，原子氣室內的緩沖氣體壓強使電磁感應透明信號現(xiàn)象產(chǎn)生的共振頻率發(fā)生頻率偏移；

所述三角波信號源通過將微波信號源設置為掃頻模式，實現(xiàn)對微波信號源的輸出信號的掃頻范圍和掃頻頻率的控制；

所述測量探頭通過磁場線圈為原子氣室提供設定大小的磁場，且磁場方向與激光器發(fā)出的激光的傳播方向相同；測量探頭通過加熱絲調節(jié)原子氣室的工作溫度；測量探頭的光電探測器通過探測原子氣室內的透射光，將所述電磁感應透明信號轉變成電信號，并將所述電信號傳輸給控制單元的數(shù)據(jù)采集卡；

所述控制單元包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡及計算模塊；所述控制模塊用于控制三角波信號源輸出設定幅值和頻率的三角波、控制微波信號源輸出設定大小的微波；所述數(shù)據(jù)采集卡用于接收光電探測器的電信號，并發(fā)送到計算模塊；所述計算模塊根據(jù)接收到的電信號計算出原子氣室內所述共振頻率發(fā)生頻率偏移的偏移量δv后，根據(jù)公式計算出緩沖氣體的壓強值p0；其中，β0為壓力頻移系數(shù)，δ0為壓力頻移溫度系數(shù)，δt為原子氣室的工作溫度與0℃差值。

進一步的，所述測量探頭給原子氣室提供100mg的磁場及45℃的工作溫度。

進一步的，所述激光器采用工作波長為852nm的vcsel激光器。

進一步的，所述微波信號源輸出4.596g的微波信號。

進一步的，所述三角波信號源輸出幅值為±1v、頻率為20hz的三角波。

有益效果：本發(fā)明采用模塊化設計，在不破壞原子氣室的條件下，完成原子氣室內緩沖氣體壓強的測量，為原子鐘性能參數(shù)設置、優(yōu)化及參數(shù)間影響機理研究提供一種精確的、有效的研究手段。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的測量探頭的結構示意圖。

其中，1-激光器，2-準直透鏡，3-衰減片，4-偏振片，5-1/4波片，6-測量探頭，7-支板，8-激光器穩(wěn)頻模塊，9-微波信號源，10-三角波信號源，11-控制單元，12-原子氣室，13-保溫層，14-光電探測器，15-加熱絲，16-磁場線圈，17-外層屏蔽殼。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

本發(fā)明提供了一種原子氣室內部緩沖氣體壓強的測量裝置，參見附圖1，包括：激光器1、準直透鏡2、衰減片3、偏振片4、1/4波片5、測量探頭6、支板7、激光器穩(wěn)頻模塊8、微波信號源9、三角波信號源10及控制單元11；

外圍設備為：待測的原子氣室12，原子氣室12內設有堿金屬原子和需要測量壓強的緩沖氣體；

整體連接關系如下：激光器穩(wěn)頻模塊8、微波信號源9、三角波信號源10及控制單元11均安裝在外部的支撐結構上；激光器1、準直透鏡2、衰減片3、偏振片4、1/4波片5及測量探頭6依次安裝在支板7上；參見附圖2，所述測量探頭6包括：保溫層13、光電探測器14、加熱絲15、磁場線圈16及外層屏蔽殼17；所述保溫層13和外層屏蔽殼17均為c型支架；保溫層13套裝在外層屏蔽殼17的c型腔中，磁場線圈16安裝在外層屏蔽殼17內，加熱絲15安裝在保溫層13相對的兩個端面內，光電探測器14安裝在保溫層13的內底面上；原子氣室12安裝在保溫層13的c型腔中；

其中，所述激光器1、準直透鏡2、衰減片3、偏振片4及1/4波片5組成光源；激光器1發(fā)出發(fā)散的激光，準直透鏡2將發(fā)散的激光轉換為平行光，衰減片3調節(jié)平行光的光強，偏振片4將所述平行光的偏振態(tài)轉變?yōu)榫€偏振態(tài)，1/4波片5將所述平行光的線偏振態(tài)轉變?yōu)閳A偏振態(tài)；所述原子氣室12位于所述圓偏振態(tài)的平行光形成的光場中；

所述激光器穩(wěn)頻模塊8用于將激光器1發(fā)出的激光的工作頻率v鎖定為堿金屬原子基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的躍遷頻率；由于c＝λv，其中c為光速，是一個定值，λ為工作波長；當工作頻率v確定，激光的工作波長λ也確定；

所述微波信號源9用于對激光器1進行調制，使激光器1發(fā)出的激光為調制光譜；所述調制光譜中的±1級邊帶與待測的原子氣室12內的緩沖氣體相互作用，產(chǎn)生電磁感應透明信號現(xiàn)象，同時，原子氣室12內的緩沖氣體壓強會使電磁感應透明信號現(xiàn)象產(chǎn)生的共振頻率發(fā)生頻率偏移；

所述三角波信號源10通過將微波信號源9設置為掃頻模式，實現(xiàn)對微波信號源9的輸出信號的掃頻范圍和掃頻頻率的控制，從而實現(xiàn)對電磁感應透明信號現(xiàn)象的觀測；

所述測量探頭6能夠通過磁場線圈16為原子氣室12提供設定大小的磁場，且磁場方向與激光器1發(fā)出的激光的傳播方向相同；測量探頭6能夠通過加熱絲15調節(jié)原子氣室12的工作溫度，使原子氣室12內具有足夠量的堿金屬原子密度與所述光場相互作用；測量探頭6的光電探測器14通過探測原子氣室12內的透射光，將所述電磁感應透明信號轉變成電信號，并將所述電信號傳輸給控制單元11的數(shù)據(jù)采集卡；

所述控制單元11包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡及計算模塊；所述控制模塊用于控制三角波信號源10輸出設定幅值和頻率的三角波、控制微波信號源9輸出設定大小的微波；所述數(shù)據(jù)采集卡用于接收光電探測器14的電信號，并發(fā)送到計算模塊；所述計算模塊根據(jù)接收到的電信號計算出原子氣室12內所述共振頻率發(fā)生頻率偏移的偏移量δv后，根據(jù)公式計算出緩沖氣體的壓強值p0；式中，β0為壓力頻移系數(shù)，δ0為壓力頻移溫度系數(shù)，δt為原子氣室12的工作溫度與0℃差值。

本實施例中：

所述原子氣室12內的堿金屬原子為銫，緩沖氣體為n2；原子氣室12的尺寸為φ10×10mm；

所述測量探頭6給原子氣室12提供100mg的磁場及45℃的工作溫度；

所述激光器1采用工作波長為852nm的vcsel激光器；

所述激光器穩(wěn)頻模塊8將vcsel激光器的工作波長鎖定到銫原子的d2線上；

所述控制單元11的控制模塊控制三角波信號源10輸出幅值為±1v、頻率為20hz的三角波、控制微波信號源9輸出4.596g的微波信號；

所述微波信號源9采用安捷倫微波信號源，型號是8257d；微波信號源9輸出的4.596g微波信號通過高頻耦合器耦合到vcsel激光器；

所述三角波信號源10采用安捷倫信號源，型號是33250a；使微波信號源9的微波信號輸出中心頻率在滿足所述共振頻率的同時，實現(xiàn)4.596g±150khz頻率的掃頻；

根據(jù)所述控制單元11的計算模塊計算得出所述偏移量δv為89khz，β0取值為924.7，δ0取值為0.623，δt為45，得到待測的原子氣室12內的緩沖氣體壓強約為94torr。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。