一种原子气室内部缓冲气体压强的测量装置的制作方法

本发明属于原子钟、原子陀螺仪及原子磁力仪的量子技术领域，具体涉及一种原子气室内部缓冲气体压强的测量装置。

背景技术：

原子气室作为原子钟、原子陀螺仪、原子磁力仪等量子技术的核心组件，其线宽、驰豫时间是最为关键的性能指标。气室内部线宽、驰豫时间主要由缓冲气体的压强及种类决定，而原子气室充制完成后，很难在不破坏原子气室前提下，对其内部缓冲气体的压强进行测量和确定。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种原子气室内部缓冲气体压强的测量装置，解决了原子气室在完成充制后，无法测量气室内部缓冲气体压强的技术难题。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种原子气室内部缓冲气体压强的测量装置，包括：激光器、准直透镜、衰减片、偏振片、1/4波片、测量探头、支板、激光器稳频模块、微波信号源、三角波信号源及控制单元；

外围设备为：待测的原子气室，原子气室内设有碱金属原子和需要测量压强的缓冲气体；

整体连接关系如下：激光器稳频模块、微波信号源、三角波信号源及控制单元均安装在外部的支撑结构上；激光器、准直透镜、衰减片、偏振片、1/4波片及测量探头依次安装在支板上；所述测量探头包括：保温层、光电探测器、加热丝、磁场线圈及外层屏蔽壳；所述保温层和外层屏蔽壳均为c型支架；保温层套装在外层屏蔽壳的c型腔中，磁场线圈安装在外层屏蔽壳内，加热丝安装在保温层的相对的两个端面内，光电探测器安装在保温层的内底面上；原子气室安装在保温层的c型腔中；

其中，所述激光器、准直透镜、衰减片、偏振片及1/4波片组成光源；激光器发出发散的激光，准直透镜将发散的激光转换为平行光，衰减片调节平行光的光强，偏振片将所述平行光的偏振态转变为线偏振态，1/4波片将所述平行光的线偏振态转变为圆偏振态；所述原子气室位于所述圆偏振态的平行光形成的光场中；

所述激光器稳频模块用于将激光器发出的激光的工作频率锁定为碱金属原子基态到第一激发态的跃迁频率，进而锁定激光器发出的激光的工作波长；

所述微波信号源用于对激光器进行调制，使激光器发出的激光为调制光谱；使所述调制光谱中的±1级边带与待测的原子气室内的缓冲气体相互作用，产生电磁感应透明信号现象，同时，原子气室内的缓冲气体压强使电磁感应透明信号现象产生的共振频率发生频率偏移；

所述三角波信号源通过将微波信号源设置为扫频模式，实现对微波信号源的输出信号的扫频范围和扫频频率的控制；

所述测量探头通过磁场线圈为原子气室提供设定大小的磁场，且磁场方向与激光器发出的激光的传播方向相同；测量探头通过加热丝调节原子气室的工作温度；测量探头的光电探测器通过探测原子气室内的透射光，将所述电磁感应透明信号转变成电信号，并将所述电信号传输给控制单元的数据采集卡；

所述控制单元包括控制模块、数据采集卡及计算模块；所述控制模块用于控制三角波信号源输出设定幅值和频率的三角波、控制微波信号源输出设定大小的微波；所述数据采集卡用于接收光电探测器的电信号，并发送到计算模块；所述计算模块根据接收到的电信号计算出原子气室内所述共振频率发生频率偏移的偏移量δv后，根据公式计算出缓冲气体的压强值p0；其中，β0为压力频移系数，δ0为压力频移温度系数，δt为原子气室的工作温度与0℃差值。

进一步的，所述测量探头给原子气室提供100mg的磁场及45℃的工作温度。

进一步的，所述激光器采用工作波长为852nm的vcsel激光器。

进一步的，所述微波信号源输出4.596g的微波信号。

进一步的，所述三角波信号源输出幅值为±1v、频率为20hz的三角波。

有益效果：本发明采用模块化设计，在不破坏原子气室的条件下，完成原子气室内缓冲气体压强的测量，为原子钟性能参数设置、优化及参数间影响机理研究提供一种精确的、有效的研究手段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的测量探头的结构示意图。

其中，1-激光器，2-准直透镜，3-衰减片，4-偏振片，5-1/4波片，6-测量探头，7-支板，8-激光器稳频模块，9-微波信号源，10-三角波信号源，11-控制单元，12-原子气室，13-保温层，14-光电探测器，15-加热丝，16-磁场线圈，17-外层屏蔽壳。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种原子气室内部缓冲气体压强的测量装置，参见附图1，包括：激光器1、准直透镜2、衰减片3、偏振片4、1/4波片5、测量探头6、支板7、激光器稳频模块8、微波信号源9、三角波信号源10及控制单元11；

外围设备为：待测的原子气室12，原子气室12内设有碱金属原子和需要测量压强的缓冲气体；

整体连接关系如下：激光器稳频模块8、微波信号源9、三角波信号源10及控制单元11均安装在外部的支撑结构上；激光器1、准直透镜2、衰减片3、偏振片4、1/4波片5及测量探头6依次安装在支板7上；参见附图2，所述测量探头6包括：保温层13、光电探测器14、加热丝15、磁场线圈16及外层屏蔽壳17；所述保温层13和外层屏蔽壳17均为c型支架；保温层13套装在外层屏蔽壳17的c型腔中，磁场线圈16安装在外层屏蔽壳17内，加热丝15安装在保温层13相对的两个端面内，光电探测器14安装在保温层13的内底面上；原子气室12安装在保温层13的c型腔中；

其中，所述激光器1、准直透镜2、衰减片3、偏振片4及1/4波片5组成光源；激光器1发出发散的激光，准直透镜2将发散的激光转换为平行光，衰减片3调节平行光的光强，偏振片4将所述平行光的偏振态转变为线偏振态，1/4波片5将所述平行光的线偏振态转变为圆偏振态；所述原子气室12位于所述圆偏振态的平行光形成的光场中；

所述激光器稳频模块8用于将激光器1发出的激光的工作频率v锁定为碱金属原子基态到第一激发态的跃迁频率；由于c＝λv，其中c为光速，是一个定值，λ为工作波长；当工作频率v确定，激光的工作波长λ也确定；

所述微波信号源9用于对激光器1进行调制，使激光器1发出的激光为调制光谱；所述调制光谱中的±1级边带与待测的原子气室12内的缓冲气体相互作用，产生电磁感应透明信号现象，同时，原子气室12内的缓冲气体压强会使电磁感应透明信号现象产生的共振频率发生频率偏移；

所述三角波信号源10通过将微波信号源9设置为扫频模式，实现对微波信号源9的输出信号的扫频范围和扫频频率的控制，从而实现对电磁感应透明信号现象的观测；

所述测量探头6能够通过磁场线圈16为原子气室12提供设定大小的磁场，且磁场方向与激光器1发出的激光的传播方向相同；测量探头6能够通过加热丝15调节原子气室12的工作温度，使原子气室12内具有足够量的碱金属原子密度与所述光场相互作用；测量探头6的光电探测器14通过探测原子气室12内的透射光，将所述电磁感应透明信号转变成电信号，并将所述电信号传输给控制单元11的数据采集卡；

所述控制单元11包括控制模块、数据采集卡及计算模块；所述控制模块用于控制三角波信号源10输出设定幅值和频率的三角波、控制微波信号源9输出设定大小的微波；所述数据采集卡用于接收光电探测器14的电信号，并发送到计算模块；所述计算模块根据接收到的电信号计算出原子气室12内所述共振频率发生频率偏移的偏移量δv后，根据公式计算出缓冲气体的压强值p0；式中，β0为压力频移系数，δ0为压力频移温度系数，δt为原子气室12的工作温度与0℃差值。

本实施例中：

所述原子气室12内的碱金属原子为铯，缓冲气体为n2；原子气室12的尺寸为φ10×10mm；

所述测量探头6给原子气室12提供100mg的磁场及45℃的工作温度；

所述激光器1采用工作波长为852nm的vcsel激光器；

所述激光器稳频模块8将vcsel激光器的工作波长锁定到铯原子的d2线上；

所述控制单元11的控制模块控制三角波信号源10输出幅值为±1v、频率为20hz的三角波、控制微波信号源9输出4.596g的微波信号；

所述微波信号源9采用安捷伦微波信号源，型号是8257d；微波信号源9输出的4.596g微波信号通过高频耦合器耦合到vcsel激光器；

所述三角波信号源10采用安捷伦信号源，型号是33250a；使微波信号源9的微波信号输出中心频率在满足所述共振频率的同时，实现4.596g±150khz频率的扫频；

根据所述控制单元11的计算模块计算得出所述偏移量δv为89khz，β0取值为924.7，δ0取值为0.623，δt为45，得到待测的原子气室12内的缓冲气体压强约为94torr。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。