一种精确测量中性原子速度分布的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种精确测量中性原子速度分布的方法和装置，两路锯齿函数信号通过频率调整和功率放大后，控制可扫频激光调制器对两路投射到待测锶原子样品的窄线宽探测激光进行频率扫描，两路窄线宽探测激光分别作为探测激光和饱和激光，完全独立但相位相同，通过改变两路窄线宽探测激光的频率失谐值对不同速度的原子进行测量。本发明的原子测速精度为0.13m/s，比激光诱导荧光测速方法高出一个数量级以上。
【专利说明】一种精确测量中性原子速度分布的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明属于高精密激光光谱计量应用领域，具体涉及一种精细测量中性原子速度分布技术。
【背景技术】
[0002]在高分辨原子光谱、原子干涉仪、原子全息、原子重力仪等原子光学研究的实验装置中，都需要借助于具有速度分布很窄、发散角很小的原子束。原子速度分布作为表征原子样品的一个重要参数，直接影响原子的能级跃迁频率测量及原子钟频率误差分析等，因此精确测量原子样品的速度分布在原子光谱学中具有重要的意义。
[0003]目前，最常用的原子样品测速方法是共振激光诱导荧光法，但是该方法具有测速精度不高及应用范围窄等缺点。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术 的不足，本发明提供一种高精度的原子测速方法及装置，利用速度选择原子饱和信号幅度的方法，测量了锶原子束横向速度分布，原子测速精度为
0.13m/s,比激光诱导荧光测速方法高出一个数量级以上。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:两路锯齿函数信号通过频率调整和功率放大后，控制可扫频激光调制器对两路投射到待测锶原子样品的窄线宽探测激光进行频率扫描，两路窄线宽探测激光分别作为探测激光和饱和激光，完全独立但相位相同，通过改变两路窄线宽探测激光的频率失谐值对不同速度的原子进行测量。
[0006]本发明还提供一种利用上述方法对锶原子束的速度进行测量的装置，包括两个可扫频激光调制器、两个压控晶体振荡器、低频函数信号发生器和光电探测器。所述的低频函数信号发生器输出两路锯齿函数信号，分别输入到两个独立的压控晶体振荡器，压控晶体振荡器的输出控制可扫频激光调制器对两路窄线宽探测激光进行频率扫描，两路窄线宽探测激光分别作为探测激光和饱和激光，完全独立但相位相同，两路窄线宽探测激光通过若干光学反射镜投射到待测锶原子样品的原子探测区域，产生饱和凹陷荧光信号，光电探测器探测饱和凹陷荧光信号。
[0007]所述锯齿函数信号的频率为0.1Hz,电压幅度为100mV。
[0008]所述两路窄线宽探测激光进行频率扫描的扫描范围为20MHz。
[0009]本发明的有益效果是:本发明利用原子饱和荧光光谱原理，当两束激光探测光和饱和光的频率失谐量为零时，饱和凹陷信号处在原子谱线中心位置，此时对应于在激光探测方向速度为零分布的原子，饱和凹陷信号幅度的大小对应速度为零原子的数目。当两束激光探测光和饱和光完全独立但同相位时，探测光为负失谐-△ ω，饱和光为正失谐Λ ω时，饱和凹陷偏离多普勒谱线中心位置的负失谐处，对应于飞离探测光方向的速度Vz =Δ ω/k分布的原子，在不同激光频率失谐处饱和凹陷的幅度对应着具有该速度分布原子的数目，这样通过对激光频率失谐的控制实现对被测原子速度的选择，最终实现对原子速度分布的精细测量。相比较现在常用的激光诱导荧光测速方法，该测速方法由于探测的是窄线宽亚多普勒信号，所以其测量精度高高出一个数量级以上。本发明提供的利用该方法对锶原子进行原子测速的装置，测量了锶原子束横向速度分布，原子测速精度为0.13m/s。本发明的方法及装置可以广泛应用于原子干涉仪、原子全息仪、原子重力仪等实验仪器中原子速度的测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的装置结构示意图；
[0011]图2为本发明的原子速度测量结果图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0013]本发明采取的技术方案如下:一种可精确测量中性原子速度分布的方法和装置，包括速度选择原子饱和信号幅度的测速方法和利用该方法对锶原子束的速度进行测量的装置。该测速装置包括窄线宽探测激光、两独立且可扫频激光调制器、可控压控晶体振荡器、待测锶原子样品、低频函数信号发生器、光电探测器。
[0014]低频函数信号发生器输出频率为0.1Hz电压幅度为IOOmV的锯齿函数信号，分别输入到两套可控压控晶体振荡器里。经过功率放大后的射频信号输送到激光调制器，用于对两路激光探测光和饱和光进行频率扫描，扫描范围为20MHz。两激光打入原子探测区域与锶原子相互作用产生荧光信号，弱光光电探测器探测饱和凹陷荧光信号。改变激光频率失谐测量激光在不同失谐频率值时饱和凹陷的幅度，对应着具有特定原子的速度和原子数目，这样通过对激光频率失谐的控制实现对被测原子速度的选择，最终实现对原子速度分布的精细测量。在锶原子样品中，利用该方法测量原子速度的精度为0.13m/s。
[0015]参考图1，本发明为一种可精确测量中性原子速度分布的方法和装置，包括速度选择原子饱和信号幅度的测速方法和利用该方法对原子样品速度的测量装置。该装置包括:函数信号发生器I，窄线宽半导体激光2，激光调制器3，压控晶体振荡器4，待测原子样品5，光学反射镜6,光电探测器7。
[0016]低频函数信号发生器输出频率为0.1Hz的锯齿函数信号，分别输入到两套压控晶体振荡器里用于控制激光调制器的频率，用于对两路激光的频率扫描，扫描范围约为20MHz。两激光打入原子探测区域后，与锶原子相互作用产生荧光信号，光电探测器探测饱和凹陷荧光信号。改变激光频率失谐测量激光在不同失谐频率值时饱和凹陷的幅度，对应着具有特定原子的速度和原子数目，这样通过对激光频率失谐的控制实现对被测原子速度的选择，最终实现对原子速度分布的精细测量。在锶原子样品中，利用该方法测量原子速度的精度为0.13m/s，测量结果如图2所示。比现在通常用的方法精度要高一个数量级以上。
【权利要求】
1.一种精确测量中性原子速度分布的方法，其特征在于包括下述步骤:两路锯齿函数信号通过频率调整和功率放大后，控制可扫频激光调制器对两路投射到待测锶原子样品的窄线宽探测激光进行频率扫描，两路窄线宽探测激光分别作为探测激光和饱和激光，完全独立但相位相同，通过改变两路窄线宽探测激光的频率失谐值对不同速度的原子进行测量。
2.一种实现权利要求1所述方法的精确测量中性原子速度分布的装置，包括两个可扫频激光调制器、两个压控晶体振荡器、低频函数信号发生器和光电探测器，其特征在于:所述的低频函数信号发生器输出两路锯齿函数信号，分别输入到两个独立的压控晶体振荡器，压控晶体振荡器的输出控制可扫频激光调制器对两路窄线宽探测激光进行频率扫描，两路窄线宽探测激光分别作为探测激光和饱和激光，完全独立但相位相同，两路窄线宽探测激光通过若干光学反射镜投射到待测锶原子样品的原子探测区域，产生饱和凹陷荧光信号，光电探测器探测饱和凹陷荧光信号。
3.根据权利要求1所述的精确测量中性原子速度分布的装置，其特征在于:所述锯齿函数信号的频率为0.1Hz,电压幅度为lOOmV。
4.根据权利要求1所述的精确测量中性原子速度分布的装置，其特征在于:所述两路窄线宽探测激光进行频率扫描的扫描范围为20MHz。
【文档编号】G01N21/01GK103926227SQ201410168582
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】高峰, 许朋, 刘辉, 常宏 申请人:中国科学院国家授时中心