原子反转数测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种原子反转数测量装置，属于原子频标领域。所述装置包括：光源，提供抽运光；共振吸收泡，装有待抽运原子和缓冲气体；磁场单元，为所述共振吸收泡提供外加磁场；射频单元，为所述共振吸收泡提供外加射频场；检测单元，检测经过所述共振吸收泡后所述抽运光的电流值；控制单元，控制所述射频单元的打开和关闭，并根据所述第一电流值和所述第二电流值计算原子反转数；所述共振吸收泡、所述检测单元依次设于所述光源提供的所述抽运光的前进路径上，所述控制单元分别与所述检测单元及所述射频单元电连接。
【专利说明】
原子反转数测量装置
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及原子跃迀领域，特别涉及一种原子反转数测量装置。
【背景技术】
[0002]原子跃迀是指，在外界作用下，原子从一个状态到另一个状态发生跳跃式变化的过程，原子跃迀发生之前的状态称为初态，跃迀发生之后的状态称为末态。
[0003]用于实现原子跃迀的跃迀装置主要包括:光源、共振吸收泡及射频场。共振吸收泡外加的磁场用于共振吸收泡内的原子发生分裂，射频场用于使共振吸收泡内原子发生基态磁共振跃迀。以Rb原子为例，当射频场作用在装有87Rb的共振吸收泡时，共振吸收泡内原子在|F = 2，mF = 0>和|F=1，mF = 0>这两个能级间发生磁共振，这样就有部分原子从|F = 2，mF=0>跃迀到I F=I，mF = 0>能级上，导致I F= I，mF = 0>能级粒子数的增加，增加的| F= I，mF=0>能级的粒子的比例定义为反转数。反转数的大小反映射频场的性能，因此测量出反转数的大小对跃迀装置的设计十分重要。
【实用新型内容】
[0004]为了解决现有技术中的问题，本实用新型实施例提供了一种原子反转数测量装置。所述技术方案如下:
[0005]本实用新型实施例提供了一种原子反转数测量装置，所述装置包括:
[0006]光源，提供抽运光；
[0007]共振吸收泡，装有待抽运原子和缓冲气体；
[0008]磁场单元，为所述共振吸收泡提供外加磁场，所述外加磁场用于所述共振吸收泡内的待抽运原子发生分裂；
[0009]射频单元，为所述共振吸收泡提供外加射频场，所述外加射频场用于所述共振吸收泡内的待抽运原子发生基态磁共振跃迀；
[0010]检测单元，检测经过所述共振吸收泡后所述抽运光的电流值，当所述射频单元关闭时，所述电流值为第一电流值，当所述射频单元打开时，所述电流值为第二电流值；
[0011]控制单元，控制所述射频单元的打开和关闭，并根据所述第一电流值和所述第二电流值计算原子反转数，所述原子反转数用于表示所述共振吸收泡中待抽运原子在所述外加射频场作用下，发生基态能级间跃迀的原子数占原子总数的比例；
[0012]所述共振吸收泡、所述检测单元依次设于所述光源提供的所述抽运光的前进路径上，所述控制单元分别与所述检测单元及所述射频单元电连接。
[0013]在本实用新型实施例的一种实现方式中，所述待抽运原子为87Rb,所述光源为充有87Rb气体的光谱灯。
[0014]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括装有所述待抽运原子的同位素原子的滤光泡，所述滤光泡设于所述光源和所述共振吸收泡之间。
[0015]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括透镜，所述透镜设于所述滤光泡和所述光源之间。
[0016]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述检测单元包括光电池。
[0017]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述共振吸收泡包括微波腔和放置在所述微波腔内的87Rb吸收泡。
[0018]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述磁场单元为通电线圈，通电线圈绕制在所述微波腔外。
[0019]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括:
[0020]与所述控制单元电连接的定时器，所述控制单元控制所述射频单元在相同的时间长度内打开和关闭，并分别在每个所述时间长度内计算所述检测单元测得的电流值的平均值。
[0021 ]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括:
[0022]与所述共振吸收泡相连的相干辐射源，所述相干辐射源间隔地产生满足玻尔条件的电磁波频率信号作用于所述共振吸收泡。
[0023]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括:
[0024]对所述光源和所述共振吸收泡进行恒温控制的温控单元，所述温控单元分别与所述光源和所述共振吸收泡电连接。
[0025]本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0026]通过光源提供抽运光作用在共振吸收泡，光检单元对经过所述共振吸收泡后所述抽运光的电流值进行测量；由于在光抽运过程中，在外加射频场作用下基态原子共振发生能级变化时，会被抽运光抽运到激发态，因此抽运光的变化反映了原子共振时原子的反转数；因此，通过控制射频场的开关，并分别测量射频场的开关状态下抽运光的电流值，即可计算出原子反转数，本实用新型实施例提供的装置在进行原子反转数测量时，整个测量过程简便便捷。
【附图说明】
[0027]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。
[0028]图1是本实用新型实施例提供的原子反转数测量装置的结构示意图；
[0029]图2是本实用新型实施例提供的87Rb和85Rb的光谱线对比示意图；
[0030]图3是本实用新型实施例提供的过滤后的87Rb光谱线示意图。
【具体实施方式】
[0031]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。
[0032]图1是本实用新型实施例提供的一种原子反转数测量装置的结构示意图，参见图1，该装置包括:
[0033]光源101，用于提供抽运光。
[0034]共振吸收泡102，装有待抽运原子和缓冲气体。
[0035]磁场单元103，用于为共振吸收泡102提供外加磁场，外加磁场用于共振吸收泡102内的待抽运原子发生分裂。
[0036]射频单元104，用于为共振吸收泡102提供外加射频场，外加射频场用于共振吸收泡102内的待抽运原子发生基态磁共振跃迀。
[0037]检测单元105，用于检测经过共振吸收泡102后抽运光的电流值，当射频单元104关闭时，电流值为第一电流值，当射频单元104打开时，电流值为第二电流值。
[0038]控制单元106，用于控制射频单元104的打开和关闭，并根据第一电流值和第二电流值计算原子反转数，原子反转数用于表示共振吸收泡102中待抽运原子在外加射频场作用下，发生基态能级间跃迀的原子数占原子总数的比例。
[0039]共振吸收泡102、检测单元105依次设于光源101提供的抽运光的前进路径上，控制单元106分别与检测单元105及射频单元104电连接。
[0040]具体地，原子反转数可以为第二电流值和第一电流值的比值。
[0041 ]其中，待抽运原子为87Rb,光源101为充有87Rb气体的光谱灯。
[0042]可选地，装置还包括装有待抽运原子的同位素原子的滤光泡107，滤光泡107设于光源101和共振吸收泡102之间。滤光泡107用于采用待抽运原子的同位素原子，过滤掉抽运光中两个超精细结构成分中的一个。这两个超精细结构成分分别为:原子的激发态与基态中能级较高(F = 2)的超精细结构之间的跃迀谱线的超精细结构成分、以及原子的激发态与基态中能级较低(F= I)的超精细结构之间的跃迀谱线的超精细结构成分。
[0043]可选地，装置还包括透镜108，透镜108设于滤光泡107和光源101之间。透镜108用于对抽运光进行聚焦，使抽运光到达滤光泡107时更集中。
[0044]其中，检测单元105包括光电池。
[0045]其中，共振吸收泡102包括微波腔和放置在微波腔内的87Rb吸收泡。
[0046]其中，磁场单元103为通电线圈，通电线圈绕制在微波腔外。
[0047]可选地，该装置还包括:
[0048]与控制单元106电连接的定时器，控制单元106用于控制射频单元104在相同的时间长度内打开和关闭，并分别在每个时间长度内计算检测单元105测得的电流值的平均值，通过计算电流值的均值使得测量结果更准确。
[0049]可选地，该装置还包括:
[0050]与共振吸收泡102相连的相干辐射源，用于间隔地产生满足玻尔条件的电磁波频率信号作用于共振吸收泡102。相干辐射源以一定时间间隔At间隔输出满足玻尔条件的电磁波频率信号作用于共振吸收泡102(跃迀区)，可以延长跃迀区共振吸收时间，有利于提高原子反转数的测量精度，跃迀区的长度也可以做得很短，避免了传统技术上的为了延长原子跃迀的时间而延长跃迀区长度。
[0051 ] 可选地，该装置还包括:
[0052]用于对光源101和共振吸收泡102进行恒温控制的温控单元，温控单元分别与光源101和共振吸收泡102电连接，对光源101和共振吸收泡102进行恒温控制有利于原子受激辐射和抽运的进行。
[0053]下面以铷原子为例，对本实用新型提供的装置的原理进行说明:
[0054]以87Rb原子为例，87Rb原子激发态包括52P3/2和52P1/2态，设定87Rb原子从52P3/2和52P1/2态回到基态辐射出两条抽运光线为Dl线和D2线。那么Dl和D2线均包括a线和b线。在本实施例中将原子的激发态与基态中能级较高的超精细结构之间的跃迀谱线的超精细结构成分、以及原子的激发态与基态中能级较低的超精细结构之间的跃迀谱线的超精细结构成分分别设为a线和b线。
[0055]光源101中的87Rb原子从52P3/2和52P1/2态回到基态辐射出Dl线和D2线两条抽运光线。因每条抽运光线都含有a线和b线，故共有四条谱线。
[0056]充有85Rb的滤光泡107中，85Rb的光谱线同样有Dl线和D2线，且每条线包含有两条超精细成分A线和B线。
[0057]将光源101中87Rb原子的抽运光照射滤光泡107中85Rb,过滤87Rb原子的抽运光两个超精细结构成分中的一个。具体地，被滤除的超精细结构成分为a线。参见图2，对比87Rb和85Rb的光谱线可知，在87Rb和85Rb的Dl线中，a线和A线相距较近，b线和B线相距较远，D2线情况基本一样。故当87Rb的抽运光经选态制备模块2后，Dl、D2线中的a线被85Rb滤光泡107吸收掉，只会剩下两条b线，如图3所示。
[0058]经过滤光泡107被滤除掉a线的抽运光到达共振吸收泡102后，共振吸收泡102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，但激发态生命很短，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能级的几率几视为相等。但由于抽运光的存在，只要落到F=I能级上又会被b线抽运到52P3/2或52Ρι/2能级上去；而由于没有抽运光的激发，落在F = 2能级上的原子却是稳定地停在这个能级上。正因为这个过程的存在，抽运光作用的最后结果必然是把基态F= I能态的原子抽运到基态F = 2能级上，经过光抽运基态F = 2和F= I能级的粒子数差约增加了 1000倍。
[0059]在87Rb原子光抽运过程中，在没有射频场作用时，由于抽运光的作用，F=I能级上的粒子数NI存在一定的量值。当有射频场作用后，共振吸收泡102内原子在IF = 2，mF = 0>和I F= I，mF = 0>这两个能级间发生磁共振，这样就有一部分原子从I F = 2，mF = 0>跃迀到| F= l，mF = 0>能级上，从而导致NI粒子数的增加。但只要有一个原子辐射一个微波量子的能量从|F = 2，mF = 0>跃迀到|F=1，mF = 0>能级上，就马上又会吸收一个从光源101经滤光泡107作用后照射到共振吸收泡102中的光量子的能量，从而被激发到激发态，从而使得通过87Rb共振吸收泡102的抽运光光强变弱。因此通过检测经过共振吸收泡102的抽运光的光强，可以确定原子反转数的值。
[0060]另外，在本实用新型中，如果不设置85Rb滤光泡107仍有光抽运效果。因为，87Rb抽运光在经过87Rb共振吸收泡102的前半部分时会被会被滤掉a线，只是滤除的效果较弱，通过87Rb共振吸收泡102的后半部分时实现光抽运。因此，本实用新型中滤光泡107为可选单兀，设置滤光泡107可以提尚光抽运的效果。
[0061]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0062]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。
【主权项】
1.一种原子反转数测量装置，其特征在于，所述装置包括: 光源，提供抽运光； 共振吸收泡，装有待抽运原子和缓冲气体； 磁场单元，为所述共振吸收泡提供外加磁场，所述外加磁场用于所述共振吸收泡内的待抽运原子发生分裂； 射频单元，为所述共振吸收泡提供外加射频场，所述外加射频场用于所述共振吸收泡内的待抽运原子发生基态磁共振跃迀； 检测单元，检测经过所述共振吸收泡后所述抽运光的电流值，当所述射频单元关闭时，所述电流值为第一电流值，当所述射频单元打开时，所述电流值为第二电流值； 控制单元，控制所述射频单元的打开和关闭，并根据所述第一电流值和所述第二电流值计算原子反转数，所述原子反转数用于表示所述共振吸收泡中待抽运原子在所述外加射频场作用下，发生基态能级间跃迀的原子数占原子总数的比例； 所述共振吸收泡、所述检测单元依次设于所述光源提供的所述抽运光的前进路径上，所述控制单元分别与所述检测单元及所述射频单元电连接。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述待抽运原子为87Rb，所述光源为充有87Rb气体的光谱灯。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括装有所述待抽运原子的同位素原子的滤光泡，所述滤光泡设于所述光源和所述共振吸收泡之间。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括透镜，所述透镜设于所述滤光泡和所述光源之间。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测单元包括光电池。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述共振吸收泡包括微波腔和放置在所述微波腔内的87Rb吸收泡。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述磁场单元为通电线圈，通电线圈绕制在所述微波腔外。8.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 与所述控制单元电连接的定时器，所述控制单元控制所述射频单元在相同的时间长度内打开和关闭，并分别在每个所述时间长度内计算所述检测单元测得的电流值的平均值。9.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 与所述共振吸收泡相连的相干辐射源，所述相干辐射源间隔地产生满足玻尔条件的电磁波频率信号作用于所述共振吸收泡。10.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 对所述光源和所述共振吸收泡进行恒温控制的温控单元，所述温控单元分别与所述光源和所述共振吸收泡电连接。
【文档编号】G01N21/17GK205538645SQ201521027728
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月10日
【发明人】雷海东
【申请人】江汉大学