一种原子横向弛豫时间自动检测系统及方法与流程

本发明涉及一种原子横向弛豫时间自动检测系统及方法，属于量子精密测量领域。

背景技术

原子能级具有量子化、高稳定、唯一性等特点，因此原子多被用于研制原子磁力仪、原子陀螺仪和原子钟等高精度仪表，这些仪表的工作机理均建立在原子极化的基础上，而原子间的碰撞、原子与器壁间的碰撞等会导致原子的横向弛豫，表现为原子的极化强度随时间减小，衰减的时间常数为横向弛豫时间。原子的横向弛豫时间是影响原子磁力仪等仪表精度的关键参数，因此提高原子的横向弛豫时间能够有效提高仪表的精度和可靠性。

由于加工工艺的限制，不同的原子气室个体存在差异，物理参数例如气室尺寸、缓冲气体压强、缓冲气体比例等并不相同，原子的横向弛豫时间也不尽相同。目前针对原子弛豫时间的检测方法，都需要提供两束激光，一束泵浦光用于使原子极化，一束探测光用于探测原子的极化强度，光路复杂且易受到环境条件的影响。此外，传统方法中探测光的脉宽较长，探测光引起的原子弛豫影响未考虑在内。因此，急需一种原子横向弛豫时间自动检测系统及方法。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种原子横向弛豫时间自动检测系统及方法，能够原子横向弛豫时间的自动检测，提高了工作效率。

本发明采用的技术方案为：一种原子横向弛豫时间自动检测系统，包括：激光生成模块、偏振调制模块、原子气室、信号检测模块以及上位机；上位机控制激光生成模块产生激光，上位机控制偏振调制模块对激光偏振态进行调制，产生泵浦光和探测光；泵浦光使原子极化，探测光用于探测原子的极化强度；同时，上位机通过信号检测模块采集从原子气室透射的探测光光强；上位机控制偏振调制模块多次改变泵浦光与探测光之间的时间间隔t，得到多个探测光光强，得到原子弛豫时间曲线；根据e指数曲线拟合得到原子的横向弛豫时间，完成原子横向弛豫时间的自动检测。

所述激光生成模块包括激光器、激光器电流源和激光器温控；激光器电流源为激光器提供恒定工作电流，激光器温控用于控制激光器的恒定工作温度，上位机控制所述激光生成模块产生功率恒定、频率与原子跃迁共振的线偏振激光。

所述偏振调制模块包括电光调制器、高压放大器和信号发生器；上位机控制信号发生器产生周期性的脉冲电压信号，通过高压放大器提高电压幅值，再将放大后的电压加载到电光调制器上，实现激光偏振的周期性切换。

所述信号采集模块包括光电探测器和数据采集卡，光电探测器测量从原子气室出射激光的光强，转化为电信号后通过数据采集卡提供给上位机；所述原子弛豫时间曲线表示探测光与不同极化强度原子相互作用后的透射光强，以光强为纵坐标，以泵浦光与探测光时间间隔t为横坐标。

所述激光器、电光调制器、原子气室和光电探测器位于同一轴线上。

一种原子横向弛豫时间自动检测方法，步骤如下：

步骤一：调节所述激光器电流源和激光器温控，使激光器输出功率恒定且频率与原子本征跃迁共振的激光；

步骤二：上位机控制偏振调制模块对激光偏振态进行周期性的调制，依次产生两种偏振态相反的圆偏振光，分别作为泵浦光和探测光，设置两者之间的时间间隔t；

步骤三：利用光电探测器测量从原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，由数据采集卡采集并发送到上位机；

步骤四：上位机控制偏振调制模块多次改变泵浦光与探测光之间的时间间隔t，得到多个探测光透射光强；

步骤五：通过上位机根据e指数曲线拟合原子弛豫时间曲线，得到原子的弛豫时间td，完成原子横向弛豫时间的自动检测。

所述得到原子的弛豫时间td采用公式：

其中，i为探测光从原子气室出射后的光强，i0为探测光入射原子气室前的光强，t为泵浦光与探测光之间的时间间隔。

本发明与现有方法相比的优点在于：

(1)传统方法需要提供两束激光，一束泵浦光用于使原子极化，一束探测光用于探测原子的极化强度，光路复杂且易受到环境条件的影响。本发明在单一光路中通过对激光的偏振态进行调制实现了原子横向弛豫时间的自动检测，相比传统方法中的光路设计，系统结构简单，不易受环境因素影响，极大方便了原子横向弛豫时间的自动检测，提高了工作效率。

(2)传统方法中探测光的脉宽较长，探测光在探测过程中也会引起的原子极化弛豫，引起测量结果偏差。本发明采用超窄脉冲作为探测光，探测光对原子极化强度的影响可忽略，从而提高原子横向弛豫时间的检测精度。

附图说明

图1是本发明的原子横向弛豫时间自动检测系统框图；

图2是本发明的原子横向弛豫时间自动检测系统信号发生器输出脉冲信号时序和入射原子气室的光脉冲信号时序图；

图3是本发明的原子横向弛豫时间自动检测方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种原子横向弛豫时间自动检测系统，其特征在于包括：激光生成模块、偏振调制模块、原子气室、信号检测模块以及上位机；

上位机控制激光生成模块产生激光，上位机控制偏振调制模块对激光偏振态进行调制，使其偏振态按照特定的时序变化，不同的偏振态分别起到泵浦光和探测光的作用，泵浦光使原子极化，探测光用于探测原子的极化强度，同时，上位机通过信号检测模块采集从原子气室透射的探测光光强；上位机控制偏振调制模块多次改变泵浦光与探测光之间的时间间隔t，得到多个探测光透射光强，并根据e指数曲线拟合得到原子的横向弛豫时间td，完成原子横向弛豫时间的自动检测。

激光生成模块包括激光器、激光器电流源和激光器温控，激光器电流源为激光器提供恒定工作电流，激光器温控控制激光器的恒定工作温度，上位机控制激光生成模块产生功率恒定、频率与原子跃迁共振的线偏振激光。在具体实施例中，选用vcsel激光器作为光源，激光器电流源采用thorlabs公司的tdc210c激光电流控制器，控制精度0.1ma,激光器温控采用thorlabs公司的ted200c温度控制器，控制精度0.01℃，激光器波长为795nm，功率120uw。

偏振调制模块包括电光调制器、高压放大器和信号发生器，上位机控制信号发生器产生周期性的脉冲电压信号，在具体实施例中，信号发生器产生的单个周期内的电压值为v0＝0v，v1＝-4v，v2＝+4v。信号发生器输出的脉冲电压信号经过高压放大器后电压幅值放大20倍，再将放大后的电压加载到电光调制器上，实现激光偏振的周期性切换。在具体实施例中，高压放大器采用thorlabs公司的hva200高压放大器，电光调制器采用thorlabs公司的eo-am-nr-c1电光调制器，工作在偏振调制模式。

信号发生器输出脉冲信号时序和入射原子气室的光脉冲信号时序如图2所示，当信号发生器输出电压取值v1＝-4v时，激光偏振态为σ⁺，起泵浦光作用，泵浦光脉宽设置为1s，使原子极化。当信号发生器输出电压取值v2＝+4v时，激光偏振态为σ-，起探测光作用，探测光脉宽设置为1us。泵浦光与探测光之间的时间间隔t初始值t＝0.1ms，t取值范围为0.1ms～10ms，每个周期时间间隔t的变化步进δt为0.1ms。

激光器、电光调制器、原子气室和光电探测器位于同一轴线上。原子采用⁸⁷rb原子，参与作用的原子能级跃迁为|f＝2>→|f`＝2>，泵浦光使原子集中在|f＝2,mf＝+2>，原子在宏观上呈现极化状态。

波长为信号采集模块包括光电探测器和数据采集卡，光电探测器测量从原子气室出射激光的光强，转化为电信号后通过数据采集卡提供给上位机。原子弛豫时间曲线表示探测光与不同极化强度原子相互作用后的透射光强，以光强i为纵坐标，以泵浦光与探测光时间间隔t为横坐标。得到原子弛豫时间曲线后，采用公式：

进行e指数拟合，其中，i为探测光从原子气室出射后的光强，i0为探测光入射原子气室前的光强，t为泵浦光与探测光之间的时间间隔。

得到原子的时间常数td，即为横向弛豫时间，完成原子横向弛豫时间的自动检测。

如图3所示，基于上述系统，本发明还提出了一种原子横向弛豫时间自动检测方法，步骤如下：

步骤一：调节所述激光器电流源和激光器温控，使激光器输出功率恒定且频率与原子本征跃迁共振的激光；

步骤二：上位机控制偏振调制模块对激光偏振态进行周期性的调制，依次产生两种偏振态相反的圆偏振光，分别作为泵浦光和探测光，设置两者之间的时间间隔t＝0.1ms；

步骤三：利用光电探测器测量从原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，由数据采集卡采集并发送到上位机；

步骤四：上位机控制偏振调制模块以步进δt＝0.1ms多次改变泵浦光与探测光之间的时间间隔t，t取值范围为0.1ms～10ms，得到多个探测光透射光强；

步骤五：通过上位机根据采用公式拟合原子弛豫时间曲线，同时得到原子的弛豫时间td。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。