一种基于激光的碱金属气室低噪声加热方法与流程

本发明涉及一种基于激光的碱金属气室低噪声加热方法，可实现原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中的碱金属气室的全光学低噪声加热。

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。原子磁强计、原子陀螺仪需要保证电子在serf状态下。serf状态实现的三大要素：激光的高效抽运、低磁场环境与高原子数密度。因此实现低磁场环境具有重要的意义。

最早采用气流加热方式对碱金属气室进行加热，这种方式可以保证很好的无磁性能，但是由于气流振动会对系统产生影响，同时，气流加热装置还需要一个很大的外置烤箱产生热气流，加热效率低，体积非常庞大，难以满足小型化集成化等需求；目前原子磁强计、原子陀螺仪一般采用无磁电加热方式，这种加热方式由于需要引进加热膜、电源等，会带来一定的磁场噪声。

因此，提出一种无磁场、低噪声、小体积的加热方法具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明解决的问题是：克服现有常规方法的不足，基于激光加热的方法，提供一种无磁场、低噪声、小体积的基于激光的碱金属气室低噪声加热方法，由于磁强计中使用的碱金属气室体积很小，约为10mm量级，因此可以认为碱金属气室内不存在温度梯度，可以实现碱金属气室的均匀加热。该方法可以实现全光学的加热方式，不引进电流，避免了无磁电加热带来的磁场噪声，由于光学元器件体积小，因此也避免了热气流加热方法带来的体积大的不足。

本发明的技术解决方案为：一种基于激光的碱金属气室低噪声加热方法(低噪声是指将加热带来的电噪声降为0)，该方法通过在碱金属气室外部固定全黑色的滤波片，采用远失谐的激光照射全黑色的滤波片，实现对滤波片的加热，黑色滤波片通过热传导的方式将热量传导至碱金属气室，并通过闭环反馈控制将温度控制到目标温度。其具体实现方法及步骤如下：

(1)在碱金属气室外部固定全黑色的滤波片，采用远失谐的激光照射全黑色的滤波片，实现对滤波片的加热，采用热辐射公式计算黑色滤波片温度，通过定制的无磁pt1000电阻测量碱金属气室的温度，并通过温度控制器通过pid控制电路控制电控的二分之一波片，联合偏振分光棱镜调节分光比，进而调节加热激光的光强，改变加热激光的入射功率，实现碱金属气室的精确加热。

(2)黑色滤波片通过热传导的方式将热量传导至碱金属气室，由于磁强计中使用的碱金属气室体积很小，因此可以认为碱金属气室内不存在温度梯度。

所述步骤(1)中的热力学计算公式为：

其中，m是黑色滤波片的质量，c是黑色滤波片的比热容，δq是入射激光的光功率，t0是黑色滤波片的初始温度。

所述步骤(2)中的热传导的公式为：

其中，λ是黑色滤波片的导热系数，a是黑色滤波片靠近碱金属气室一侧的表面积，δ是黑色滤波片的厚度。

所述步骤(1)中的热力学计算公式为：

其中，m是黑色滤波片的质量，c是黑色滤波片的比热容，δq是远失谐与抽运激光和检测激光的入射激光的光功率，t0是黑色滤波片的初始温度。

所述闭环反馈控制系统由pt1000无磁电阻、电控二分之一波片、偏振分光棱镜、pid控制电路组成；通过定制的无磁pt1000电阻测量碱金属气室的温度，并通过温度控制器通过pid控制电路控制电控的二分之一波片，联合偏振分光棱镜调节分光比，进而调节加热激光的光强，改变加热激光的入射功率，实现碱金属气室的精确加热。

所述步骤(2)中的热传导的公式为：

其中，λ是黑色滤波片的导热系数，a是黑色滤波片靠近碱金属气室一侧的表面积，δ是黑色滤波片的厚度。

本发明的原理在于激光加热不引入电学元器件，可以实现全光学的加热方式，可以实现磁场噪声的零引入，同时，由于避免了热气流加热引入的体积庞大的烤箱等，因此可以缩小原子磁强计、原子陀螺仪的体积。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过在碱金属气室外部固定全黑色的滤波片，采用远失谐的激光照射全黑色的滤波片，实现对滤波片的加热，黑色滤波片通过热传导的方式将热量传导至碱金属气室，采用闭环反馈控制系统将温度控制在目标温度。避免了无磁电加热带来的磁场噪声，由于光学元器件体积小，因此也避免了热气流加热方法所需的体积庞大的烤箱，有利于实现原子磁强计、原子陀螺仪小型化，促进工程化实现。

(2)本发明提供了一种无磁场、低噪声、小体积的加热方法，由于采用与抽运激光、检测激光远失谐的激光对碱金属气室进行加热，不引进传统的电加热方法引入的热电流，从根本上消除了加热引进的磁噪声；和电加热相比，由于不适用电源等器材，可节约大约6l的空间，和热气流加热相比，由于不实用热烘箱等器材，可节约大约60l的空间。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为本发明中激光加热的实验装置示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：

(1)将待加热的碱金属气室4置于如图2所示的实验系统中，碱金属气室4一侧固定黑色的滤光片5。

激光器1实现对碱金属气室4中碱金属原子的光抽运，激光器2实现对碱金属气室4中碱金属原子光旋角的检测，激光器3实现对碱金属气室4一侧固定的黑色滤波片5的加热。通过无磁pt1000电阻9测量黑色滤波片5的温度，并传输至温度控制器8，通过温度控制器8中的pid电路控制电控二分之一波片6，联合偏振分光棱镜7调节加热激光的入射光强，进而改变调节碱金属气室4的温度。

(2)计算得到黑色滤波片靠近加热激光一侧的温度所采用的热力学计算公式为：

其中，m是黑色滤波片的质量，c是黑色滤波片的比热容，δq是入射激光的光能量，t0是黑色滤波片的初始温度，可以采用室温，20-30度。

(3)计算黑色滤波片靠近碱金属气室一侧的温度，即碱金属气室的温度的热传导的公式为：

其中，λ是黑色滤波片的导热系数，a是黑色滤波片靠近碱金属气室一侧的表面积，δ是黑色滤波片的厚度，为毫米量级，例如1-10mm。

(4)设定温度t2通过步骤(3)、(4)，得到δq值，计算加热激光的入射时间t。

t＝δq/p

式中，p是加热激光的入射功率，可通过功率计测量得到。

(5)将加热激光加热t时间后，为避免热量过度聚集，将入射光功率调节至最小，通过pt1000电阻9测量黑色滤波片5的温度，通过信号线传输至温度控制器8，温度控制器8将pt1000无磁电阻9测量的温度信号与温度设定值进行比较，输出信号采用pid算法控制电控二分之一波片6的主轴旋转，改变加热激光的入射光强，细调改变碱金属气室4的温度至工作温度。

总之，本发明利用激光对原子磁强计以及原子陀螺仪中的碱金属气室进行加热，所采用的加热激光远失谐抽运激光和检测激光，将碱金属气室加热到特定的温度，得到高密度碱金属原子数的碱金属气室，同时由于激光加热不会给表头引入加热电流，因此可以从根本上消除加热引起的磁场干扰，实现全光学的serf原子磁强计，除此以外，由于避免了无磁电加热引入的加热膜、电源，也避免了热气流加热引入的体积庞大的烤箱等，可以大大缩小磁强计的体积，十分有利于实现serf磁强计的小型化，为serf磁强计的工程应用奠定基础。

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。