专利名称：一种原子塞曼频率的测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及原子频标领域，特别涉及一种原子塞曼频率的测量仪。
背景技术：
塞曼效应是原子在外部磁场作用下，能级发生分裂的现象。在原子发生塞曼效应后，基态的超精细能级之间的跃迁频率被称为原子基态超精细塞曼频率。随着铷原子频标的广泛应用，通常需对铷原子基态超精细塞曼频率进行测量，以作为原子钟量子鉴频参考频率值。现有测量铷原子基态超精细塞曼频率的方法包括将充以87Rb的玻璃泡置入一个加有磁场的微波谐振腔内，将腔的共振频率调整在87Rb基态相应超精细能级跃迁频率上，然后通过微波检测测量仪获得87Rb的吸收谱线，根据该吸收谱线 可得到铷原子基态超精细塞曼频率。在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题由于气态87Rb粒子数密度小，使用现有的测量方法在常温时得到的两个超精细能级间的粒子数差是非常小的，所以得到的原子吸收谱线非常微弱，根据该吸收谱线所测量的铷原子基态超精细塞曼频率存在一定误差。
实用新型内容为了提高测量塞曼频率的精确度，本实用新型实施例提供了一种原子塞曼频率的测量仪。所述技术方案如下—种原子塞曼频率的测量仪，所述测量仪包括用于使原子产生辐射光的光辐射模块；所述辐射光的谱线包括两个超精细结构成分；用于采用所述原子的同位素滤除所述两个超精细结构成分中的一个，得到过滤后的辐射光的过滤模块；用于在所述过滤后的辐射光的照射下，通过磁场和射频信号的作用，使微波腔中的原子发生分裂并产生共振跃迁的分裂跃迁模块；所述微波腔中的原子与所述光辐射模块中的原子为同一种原子；用于实时检测透过所述分裂跃迁模块的福射光的强度，并产生光强信号的光检模块；用于为所述微波腔提供所述射频信号，根据所述射频信号与所述光强信号的对应关系，得到所述原子的吸收谱线，并根据所述吸收谱线计算所述原子的基态超精细塞曼频率的主控计算模块；其中，所述分裂跃迁模块分别与所述光检模块和所述主控计算模块连接。具体地，所述光辐射模块为87Rb光谱灯；所述过滤模块为85Rb滤光泡；所述分裂跃迁模块包括所述微波腔和放置在所述微波腔内的87Rb吸收泡；所述微波腔外绕制产生所述磁场的通电线圈。[0015]其中，所述主控计算模块具体包括用于输出并记录所述射频信号的射频信号产生单元；用于产生电流以控制所述磁场的大小的电流产生单元；用于根据输出所述射频信号的时序对所述光强信号进行采样并记录，使所述光强信号与所述射频信号一一对应的采样单元；用于根据所述光强信号与所述射频信号的对应关系，得到所述原子对应的吸收谱线，并根据所述吸收谱线计算并显示计算出的所述的原子基态超精细塞曼频率的计算单元;其中，所述射频信号产生单元分别与所述分裂跃迁模块和所述计算单元连接；所述电流产生单元分别与所述分裂跃迁模块和所述计算单元连接；所述采样单元分别与所述 光检模块和所述计算单元连接。进一步地，所述射频信号产生单元为扫频仪；所述射频信号的变化范围为6832. 6875MHz 6836. 6875MHz，步长为 500Hz。进一步地，所述磁场的大小在IOOmG以内。本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过利用原子同位素之间能级跃迁频率相近，采用原子的同位素滤除原子两个超精细结构成分中的一个；将滤除了两个超精细结构成分的原子的辐射光照射微波腔中原子，并通过磁场和射频信号的作用，使原子发生分裂和共振跃迁，增加了原子超精细能级之间的粒子差；可以获得较强的光强信号，减小测量塞曼频率的误差，提高测量塞曼频率的精确度。
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本实用新型实施例I中提供的一种原子塞曼频率的测量仪的示意图；图2是本实用新型实施例2中提供的一种原子塞曼频率的测量仪的示意图；图3是本实用新型实施例2中提供的87Rb原子能级的示意图；图4是本实用新型实施例2中提供的85Rb原子能级的示意图；图5是本实用新型实施例2中提供的87Rb的Dl线的a、b线与85Rb的Dl线的A、B线的相对位置的示意图；图6是本实用新型实施例2中提供的过滤后的辐射光中超精细结构成分的示意图；图7是本实用新型实施例2中提供的吸收谱线的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。实施例I[0034]参见图1，本实用新型实施例I提供了一种原子塞曼频率的测量仪，该测量仪包括光辐射模块101、过滤模块102、分裂跃迁模块103、光检模块104和主控计算模块105。光辐射模块101，用于使原子产生辐射光，该辐射光的谱线包括两个超精细结构成分。过滤模块102，用于采用原子的同位素滤除两个超精细结构成分中的一个，得到过滤后的福射光。分裂跃迁模块103，用于在过滤后的辐射光的照射下，通过磁场和射频信号的作用，使微波腔中原子发生分裂并产生共振跃迁。其中，微波腔中原子与光福射模块101中的原子为同一种原子。光检模块104,用于实时检测透过分裂跃迁模块103的福射光的强度,并产生光强 信号。主控计算模块105，用于为微波腔提供射频信号，根据射频信号与光强信号的对应关系，得到原子的吸收谱线，并根据吸收谱线计算原子的基态超精细塞曼频率。其中，分裂跃迁模块103分别与光检模块104和主控计算模块105连接。具体地，光辐射模块101可以是87Rb光谱灯；过滤模块102可以是85Rb滤光泡；分裂跃迁模块103包括微波腔和放置在微波腔内的87Rb吸收泡；该微波腔外绕制产生磁场的通电线圈。本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过利用原子同位素之间能级跃迁频率相近，采用原子的同位素滤除原子两个超精细结构成分中的一个；将滤除了两个超精细结构成分的原子的辐射光照射微波腔中原子，并通过磁场和射频信号的作用，使原子发生分裂和共振跃迁，增加了原子超精细能级之间的粒子差；可以获得较强的光强信号，减小测量塞曼频率的误差，提高测量塞曼频率的精确度。实施例2参见图2，本实用新型实施例2以87Rb原子为例，提供了一种原子塞曼频率的测量仪，该测量仪包括光辐射模块201、过滤模块202、分裂跃迁模块203、光检模块204和主控计算模块205。其中，分裂跃迁模块203分别与光检模块204和主控计算模块205连接。光辐射模块201，用于使原子产生辐射光，该辐射光的谱线包括两个超精细结构成分。其中，该两个超精细结构成分分别为，铷原子的激发态与基态中较高的超精细结构能级之间的跃迁谱线的超精细结构成分、以及铷原子的激发态与基态中较低的超精细结构能级之间的跃迁谱线的超精细结构成分。在本实用新型实施例2中，设定铷原子的激发态与基态中高超精细结构能级之间的跃迁谱线的超精细结构成分、以及铷原子的激发态与基态中低超精细结构能级之间的跃迁谱线的超精细结构成分分别为a线和b线。具体地,光福射模块201用于产生87Rb原子的福射光。具体地，光福射模块201为87Rb光谱灯。7Rb光谱灯制成透明玻璃形状；其中充入相应的发光用87Rb蒸气和方便启辉的Kr或Ar惰性气体。过滤模块202，用于采用原子的同位素滤除两个超精细结构成分中的一个，得到过滤后的福射光。其中，将光辐射模块201中87Rb原子的辐射光照射过滤模块202中85Rb,得到滤除两个超精细结构成分中的一个的87Rb原子的辐射光。具体地，被滤除的两个超精细结构成分中的一个为a线。另外，过滤单元2012为85Rb吸收泡。该85Rb吸收泡制成透明玻璃形状，其中充入87Rb原子的同位素85Rb。众所周知，87Rb原子(原子序数37)有原子量分别为85和87的两种同位素。由于光福射模块201选用了 87Rb蒸气，故在过滤模块202中充入85Rb原子。进一步地，87Rb为碱金属，只有一个价电子。参见图3，87Rb原子的基态为52S1/2态。87Rb原子的基态能级中，|F=2, mF=0>和IF=I, mF=0>,这两个能级之间跃迁频率的精确值为6834. 68XXXXMHZ (外磁场H=O)，后四位数字由磁场和集成滤光共振泡中的缓冲气体的微扰确定。这也就是所谓的铷原子频标量子鉴频参考频率值。87Rb的第一激发态有两个精细结构能级52P3/2和52P1/2，这两个能级的超精细分裂较基态小，分别为840MHz (F=3与F=O)和430MHz (F=2与F=I)。由于多普勒展宽与此分裂值差不多，故激发态的超精细结构无法分辨。因此87Rb原子的第一激发态与基态间的跃迁谱线只包括D1和D2线中两个超精细结构成分a线和b线。 参见图4，85Rb原子的基态52P1/2能级分成两个超精细能级F=3和F=2，这两个能级之间跃迁频率大约为3036MHz。它的光谱同样也有D1线(7947A)和D2线(7800A)且每条线同样包括两个超精细成分A线和B线。参见图5 图6，a线、A线相距较近，b线、B线相距较远,故当87Rb辐射光经过滤光单元2012中85Rb滤光后，辐射光的DpD2线中的a线被滤掉，基本上只会剩下b、B两条线。分裂跃迁模块203，用于在过滤后的辐射光的照射下，通过磁场和射频信号的作用，使微波腔中原子发生分裂并产生共振跃迁。其中，微波腔中原子与光福射模块101中的原子为同一种原子。进一步地，微波腔内充有87Rb原子和惰性气体。该微波腔外绕制能产生磁场的通电线圈。可选地，通电线圈可由螺旋管绕制。微波腔内的87Rb原子在磁场作用下，基态将发生分裂，得到基态的超精细结构。在过滤掉a线的辐射光照射下，基态的超精细结构将被b线抽运到激发态。而在射频信号的作用下，基态的超精细结构之间将发生共振跃迁。具体地，过滤掉a线的87Rb原子的辐射光到达微波腔后，微波腔中的87Rb原子若处在基态F=I的能级上就会被b线抽运到52P3/2或52P1/2能级上去，但激发态寿命很短，它们很快又会自发辐射返回基态。由于在激发态期间，碰撞使得激发态充分混杂，返回基态时落到F=2能级及F=I能级的几率可视为相等。但由于b线辐射光的存在，原子只要落到F=I能级上又会被抽运到52P3/2或52P1/2能级上去；而由于没有辐射光的激发，落在F=2能级上的原子停在这个能级上。最后结果必然是把原子全部抽运到F=2能级上(实际是全部的原子均匀分布在F=2的超精细结构mF五个能级上，每个子能级的原子数是全部原子数的1/5)，F=I的能级被抽空。这样，F=2和F=I能级经过福射光的作用,粒子数差增加了。当微波腔中87Rb原子的F=I的三个塞曼子能级被抽空以后，87Rb原子就不再吸收辐射光了。也就是说，当辐射光刚开始照到87Rb原子微波腔时就会被87Rb吸收，但一旦F=I能级已被抽空，则不再被吸收，即达到平衡后，微波腔中87Rb对辐射光是透明的。这时在微波腔加上频率与原子跃迁频率相同的射频信号，让原子在|F=2, mF=0>和|F=1, mF=0>这两个能级间发生磁共振，这样就有一部分原子从|F=2，mF=0>跃迁到|F=1，mF=0>能级上。只要有一个原子辐射一个微波量子的能量跃迁到|F=l，mF=0>能级上，就马上又会吸收一个光量子的能量被激发到激发态，从而使得通过微波腔的辐射光光强变弱。光检模块204,用于实时检测透过分裂跃迁模块203的福射光的光强,并产生光强信号。具体地，光检模块204包括但不限于为光电池、放大电路和模数转换电路构成的电路。光电池设置在前述微波腔的底部，用于实时检测和记录辐射光的光强，并产生检测信号发送至放大电路；放大电路用于将光电池的检测信号放大后发送至模数转换电路；模数转换电路将放大后的检测信号转换成光强信号。主控计算模块205，用于为微波腔提供射频信号，根据射频信号与光强信号的对应关系，得到原子的吸收谱线，并根据吸收谱线计算原子的基态超精细塞曼频率。进一步地，主控模块205包括射频信号产生单元2051、电流产生单元2052、采样单元2053和计算单元2054。其中，射频信号产生单元2051分别与分裂跃迁模块203和计算 单元2054连接；电流产生单元2052分别与分裂跃迁模块203和计算单元2054连接；采样单元2053分别与光检模块204和计算单元2054连接。其中，射频信号产生单元2051用于输出并记录射频信号。进一步地，射频信号产生单元2051包括但不限于为扫频仪。其中，电流产生单元2052用于产生电流以控制磁场的大小。具体地，电流产生单元2052产生并控制用螺旋管绕制线圈中的电流大小，进而控制磁场大小，并保持恒定。其中，采样单元2053用于根据射频信号产生单元2051控制射频信号的时序对光检模块204输出的光强信号进行采样并记录，使光强信号与射频信号一一对应。其中，计算单元2054用于根据采样的光强信号与射频信号的对应关系，得到对应的吸收谱线，并根据吸收谱线计算并显示计算出的原子的基态超精细塞曼塞曼频率。具体地，参见图7，纵坐标表示了采样的光强信号，即采样大小，单位为伏特；横坐标表示了扫描点数，即射频信号产生单元2051记录的输出变化频率的点数。其中，塞曼频率定义为吸收谱线中峰I、峰2或者峰I、峰3间的频差，即最小的光强信号对应的射频信号的频率值与次小的光强信号对应的射频信号的频率值之间的差值。具体地，由于射频信号产生单元2051输出的频率信号变化步进长度是不变的，故可以通过计算峰I、峰2或者峰I、峰3之间的点数，即可求出塞曼频率的值。下面以87Rb原子为例，简单介绍一下采用本实用新型实施例2提供的测量仪测量87Rb原子塞曼频率的方法，具体包括301 305 301 :使原子产生辐射光，该辐射光的谱线包括两个超精细结构成分。具体地，可使用87Rb蒸气和方便启辉的Kr或Ar惰性气体产生铷原子的辐射光。302:采用原子的同位素滤除两个超精细结构成分中的一个，得到过滤后的辐射光。其中，将铷原子的辐射光照射铷原子的同位素，得到过滤掉a线的铷原子的辐射光，辐射光中剩下b线。303:在过滤后的辐射光的照射下，通过磁场和射频信号的作用，使微波腔中原子发生分裂并产生共振跃迁。其中，微波腔中的原子与产生辐射光的原子为同一种原子。其中，首先，在微波腔中充入87Rb铷原子和惰性气体；然后，为微波腔提供用于分裂的磁场，使微波腔中的87Rb原子基态分裂为基态的超精细能级；其次，当过滤后的辐射光照射加了磁场中的微波腔，将使微波腔中87Rb原子基态中与b线对应的超精细能级发生抽运；最后，为微波腔输入与铷原子的跃迁频率相同的射频信号，使铷原子基态的超精细结构在射频信号的激励下产生共振跃迁。具体地，射频信号的变化范围为6832. 6875MHz 6836. 6875MHz，步长为500Hz。磁场的大小在IOOmG以内。304 :用于实时检测和记录透过微波腔的辐射光的强度，并产生光强信号。具体地，可由光电池检测辐射光的光强，并将检测信号发送至放大电路；放大电路将检测信号放大后发送至模数转换电路；模数转换电路将放大后的检测信号转换成光强信号。305:根据射频信号与光强信号的对应关系，得到原子的吸收谱线，并根据吸收谱 线计算原子的基态超精细塞曼频率。进一步地，本步骤包括3051 :在吸收谱线中，分别获取最小的光强信号对应的射频信号的频率值、以及次小的光强信号对应的射频信号的频率值。具体地，参见图7，最小的光强信号对应的射频信号的频率值为吸收谱线中峰I对应的频率值；次小的光强信号对应的射频信号的频率值为吸收谱线中峰2或峰3对应的频率值。3052:计算最小的光强信号对应的射频信号的频率值与次小的光强信号对应的射频信号的频率值之间的差值，得到原子的基态超精细塞曼频率。具体地，计算吸收谱线中峰I、峰2或者峰I、峰3间的频差，即得到原子的基态超
精细塞曼频率。本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过利用原子同位素之间能级跃迁频率相近，采用原子的同位素滤除原子两个超精细结构成分中的一个；将滤除了两个超精细结构成分的原子的辐射光照射微波腔中原子，并通过磁场和射频信号的作用，使原子发生分裂和共振跃迁，增加了原子超精细能级之间的粒子差；可以获得较强的光强信号，减小测量塞曼频率的误差，提高测量塞曼频率的精确度。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.ー种原子塞曼频率的测量仪，其特征在于，所述测量仪包括 用于使原子产生辐射光的光辐射模块；所述辐射光的谱线包括两个超精细结构成分； 用于采用所述原子的同位素滤除所述两个超精细结构成分中的ー个，得到过滤后的辐射光的过滤模块； 用于在所述过滤后的辐射光的照射下，通过磁场和射频信号的作用，使微波腔中的原子发生分裂并产生共振跃迁的分裂跃迁模块；所述微波腔中的原子与所述光辐射模块中的原子为同一种原子； 用于实时检测透过所述分裂跃迁模块的辐射光的強度，并产生光强信号的光检模块； 用于为所述微波腔提供所述射频信号，根据所述射频信号与所述光强信号的对应关系，得到所述原子的吸收谱线，井根据所述吸收谱线计算所述原子的基态超精细塞曼频率 的主控计算模块； 其中，所述分裂跃迁模块分别与所述光检模块和所述主控计算模块连接。
2.根据权利要求I所述的测量仪，其特征在于，所述光辐射模块为87Rb光谱灯；所述过滤模块为85Rb滤光泡；所述分裂跃迁模块包括所述微波腔和放置在所述微波腔内的87Rb吸收泡；所述微波腔外绕制产生所述磁场的通电线圏。
3.根据权利要求I所述的测量仪，其特征在于，所述主控计算模块具体包括 用于输出并记录所述射频信号的射频信号产生单元； 用于产生电流以控制所述磁场的大小的电流产生単元； 用于根据输出所述射频信号的时序对所述光强信号进行采样并记录，使所述光强信号与所述射频信号一一对应的采样单元； 用于根据所述光强信号与所述射频信号的对应关系，得到所述原子对应的吸收谱线，井根据所述吸收谱线计算并显示计算出的所述的原子基态超精细塞曼频率的计算单元； 其中，所述射频信号产生单元分别与所述分裂跃迁模块和所述计算单元连接；所述电流产生单元分别与所述分裂跃迁模块和所述计算单元连接；所述采样単元分别与所述光检模块和所述计算单元连接。
4.根据权利要求3所述的测量仪，其特征在于，所述射频信号产生单元为扫频仪；所述射频信号的变化范围为6832. 6875MHz 6836. 6875MHz，步长为500Hz。
5.根据权利要求3所述的测量仪，其特征在于，所述磁场的大小在IOOmG以内。
专利摘要本实用新型公开了一种原子塞曼频率的测量仪，属于原子频标领域。测量仪用于使原子产生辐射光的光辐射模块；辐射光的谱线包括两个超精细结构成分；用于采用原子的同位素滤除两个超精细结构成分中的一个，得到过滤后的辐射光的过滤模块；用于在过滤后的辐射光的照射下，通过磁场和射频信号的作用，使微波腔中的原子发生分裂并产生共振跃迁的分裂跃迁模块；微波腔中的原子与光辐射模块中的原子为同一种原子；用于实时检测透过分裂跃迁模块的辐射光的强度，并产生光强信号的光检模块；用于为微波腔提供射频信号，根据射频信号与光强信号的对应关系，得到原子的吸收谱线，并根据吸收谱线计算原子的基态超精细塞曼频率的主控计算模块。
文档编号G01R23/02GK202757998SQ201220379180
公开日2013年2月27日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者雷海东 申请人:江汉大学