一种基于压力展宽的非接触式温度测量方法与流程

本发明涉及一种基于压力展宽的非接触式温度测量方法，可用于原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中的碱金属气室内部温度的测量。

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。碱金属气室内部温度的精确检测是实现碱金属内部温度高精度控制的前提。原子磁强计的灵敏度和原子陀螺的漂移与碱金属原子的极化率密切相关，而碱金属原子的极化率受温度影响。因此，提出一种检测碱金属气室内部温度的方法具有重要的意义。

现有的非接触测温方法还有红外测温法，优点在于它不需要接触到被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的状态，测温仪本身也不受温度场的损伤；但是限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部温度，同时易受环境因素如温度、灰尘等的影响。现在常用的碱金属气室检测方法采用热电阻等接触式温度测量方法，只能测量烤箱以及碱金属气室壁的温度，不能精确得到碱金属气室内部的温度，无法实现碱金属气室内温度的精确控制，这会对碱金属原子的极化率造成很大的影响，进而影响原子磁强计和灵敏度和原子陀螺的漂移。

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，基于压力展宽的方法，提供一种可测量碱金属气室内部温度的方法，提高了气室内温度的测量精度。

本发明的技术解决方案为：一种基于压力展宽的非接触式温度测量的方法，该方法首先将充有一种气体的碱金属气室加热至某一待测温度，测量碱金属原子的激光吸收光谱；对测得的谱线通过理论公式进行拟合，得到压力展宽；最后，根据温度和压力展宽的对应关系，得到待测温度。通过调整激光照射通过碱金属气室到不同位置，测量碱金属气室内部不同位置的温度，进而测得温度梯度。

其具体实现方法及步骤如下：

(1)加热碱金属气室至某一待测温度；

(2)采用波长调谐范围在碱金属原子D1线附近的DBR激光器，将DBR激光器输出的激光照射于碱金属气室并扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出光学深度曲线，然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，获得D1线的谱线压力展宽Γ；

(3)利用已知的气体在已知温度T₀下引起的碱金属D1线压力展宽Γ₀以及步骤(2)获得的Γ_T计算出待测温度T，采用的公式为：

T₀是已知温度，Γ₀是温度T₀下气体引起的碱金属D1线压力展宽，这两个参数的值是已知的，Γ_T是已知气体在待测温度T下的引起的碱金属D1线压力展宽，是实际测量得到的；n为温度依赖性，或者温度系数，取值会随着碱金属和气体的种类不同而不同，常用的碱金属和惰性气体的值在0.3到0.5；

(4)改变激光照射通过碱金属气室位置，重复步骤(1)-(3)，分别测量碱金属气室垂直于激光方向所在平面不同位置的压力展宽，换算得到温度，进而测得整个碱金属气室内的温度分布，采用气室内部不同位置的不同温度，得到碱金属气室温度梯度；

所述的碱金属气室内充有一种或多种气体，并且气体引起的压力展宽值远大于自然展宽与多普勒展宽。

所述步骤(2)中的光学深度曲线计算公式为：

其中，υ为入射激光的频率，I_out和I_in分别为碱金属气室出射和入射激光的光强。

所述步骤(2)中的洛伦兹函数为：

其中，k为比例系数，υ为激光频率，υ₀为中心频率，Γ为谱线压力展宽，即洛伦兹曲线的半高全宽，δ为频移。

所述步骤(4)中的温度梯度的计算公式为：

其中为垂直激光方向平面上温度梯度，定义xoy平面为垂直于激光方向平面，△x、△y为x、y方向上移动的距离，△T为温度变化量。

本发明的原理在于：碱金属原子的吸收谱线具有一定的宽度，在没有其它气体存在的情况下存在自然展宽以及多普勒展宽。当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽，且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽，因此仅考虑压力展宽。压力展宽的大小与温度存在函数关系，当气室内气体温度变化时，压力展宽会随温度变化。在已知气体中，碱金属特定的精细能级不同的温度中压力展宽是不同的，已有很多相关文献对温度引起的各精细能级谱线的压力展宽值进行过详细测量。因此，通过测量待测温度下碱金属精细能级的谱线展宽，再根据文献中的已知测量结果，就可以计算出待测温度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过测量碱金属原子的一个精细能级D1线压力展宽，根据所充已知气体在已知温度下引起的谱线压力展宽，计算出待测温度，弥补了热电阻等传统接触式温度测量方法中，无法测量碱金属气室内部温度的不足，提高了气室内温度的测量精度。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为本发明中激光吸收光谱测量的实验装置示意图。

具体实施方式

本发明通过测量碱金属原子D1线的激光吸收谱线，并对谱线进行理论拟合得到相应的压力展宽，再根据温度和压力展宽之间的关系解算出碱金属气室内部的温度。碱金属气室存在一定的体积，传统的接触式测量方法只能测量碱金属气室壁上温度传感器接触的面积上的温度，无法测得碱金属内部的温度，接触式测量需要将碱金属气室内置传感器，这对于用于原子磁强计、原子自旋陀螺仪是没有实际意义的。基于压力展宽的温度测量方法，可以解决这一问题，测得碱金属内部温度。同时，通过改变激光照射通过碱金属气室位置，分别测量碱金属气室垂直于激光方向不同位置的压力展宽，换算得到温度，进而测得整个碱金属气室内的温度分布，得到温度梯度。

如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：

(1)将待测的充有一种或多种气体的碱金属气室安装于如图2所示的实验系统中，将其加热至待测的某一温度。

激光器1首先采用可调谐范围在碱金属原子D1线附近的DBR激光器，其输出的激光经过波片3和偏振分光棱镜4后分为两束光，一束传输至波长计2以测量其频率，另一束传输至分光棱镜5。分光棱镜的一束光进入低压参考气室10，继而通过光电探测器12进入数据采集系统14，用来标定中心频率，另一束光进入斩波器6后，对光进行调制，通过一个分光比为1:1的消偏振分光棱镜7，一束通过光电探测器11进入双路锁相放大器13进行解调，以减小环境中杂散光的影响，最后进入数据采集系统14，另一束通过充有一种气体的碱金属气室8后，通过光电探测器9进入双路锁相放大器13进行解调，最后进入数据采集系统14。

(2)将激光器1的输出在碱金属原子D1线附近扫频，记录相应的激光频率v以及光电探测器的输出I_in和I_out，从而实现吸收谱线的测量。根据实验数据计算出碱金属气室8的光学深度曲线OD(v)公式如下：

利用洛伦兹函数对OD(v)进行数据拟合，拟合公式如下：

其中，k为比例系数，υ为激光频率，υ₀为中心频率，Γ为谱线压力展宽，即洛伦兹曲线的半高全宽，δ为频移。

(3)利用已知的气体在已知温度T₀下引起的碱金属D1线压力展宽Γ₀及步骤(2)获得的Γ计算出待测温度T，采用的公式为：

n为温度依赖性，或者温度系数，取值会随着碱金属和气体的种类不同而不同，常用的碱金属和惰性气体的值在0.3到0.5。

(4)改变激光照射通过碱金属气室位置，重复步骤(1)-(3)，分别测量碱金属气室垂直于激光方向所在平面不同位置的压力展宽，换算得到温度，进而测得整个碱金属气室内的温度分布，采用气室内部不同位置的不同温度，得到碱金属气室温度梯度。

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。