基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法与流程

本发明涉及量子精密测量技术领域，具体地，涉及一种基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法。

背景技术：

原子系综由于其很好的相干性，作为重要的研究介质广泛应用于原子分子与光物理领域。同时，原子密度的精确测量以及原子各能态的准确布居数操控和测量是原子物理、量子物理、非线性光学等领域中的基础，具有极为重要的研究意义。近年来，热原子系综以其独有的易于集成特性，是广大研究者的重点研究对象。而热原子的原子密度测量及其原子能态布居数操控和测量是热原子系综研究的基石。

针对热原子密度测量，也存在许多方案，但大都针对特定情况，例如压力展宽下的热原子系综。对于原子运动引起多普勒展宽效应占主导的热原子系综，精确测量其原子密度并未有很好的解决方案，这一问题的瓶颈在于光场及光路不稳定性造成原子密度测量的巨大偏差。另外，热原子各能态布居数操控和测量也不尽如人意。常用的原子各能态布居数操控手段为光学泵浦，但成熟的泵浦效率测量方法并不多，难以准确的获得光学泵浦对原子在各能态的布居数的影响。因此，发明一种能够稳定精确测量热原子密度和原子各能态布居数的系统及方法变得尤为重要。

与本申请相关的现有技术是cn108121015a，提供了一种原子布居数探测系统，此系统包含荧光激发器和一对荧光收集器。当原子团下落到真空装置的探测区时，会先后穿过原子荧光激发器发射出的两束激光，使得原子团分别发出荧光，通过原子荧光收集器可把荧光信号收集起来并转为电流信号从而得到原子布居数。该技术适用于冷原子系总，在热原子系综中的应用受限。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法。

根据本发明提供的一种基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置，包括第一相干光源、第一隔离器、第一脉冲调制器、第二相干光源、第二隔离器、第二脉冲调制器、分束器、原子蒸汽池、第一滤光片、第一光电探测器、反射镜、可调衰减片、第二滤光片、第二光电探测器、减法器、数据采集单元；

第一相干光源产生的第一光场经过第一隔离器、第一脉冲调制器后到达分束器，第二相干光源产生的第二光场经过第二隔离器、第二脉冲调制器后达到分束器；

第一光场、第二光场经由分束器复合后，均分成第一复合光场、第二复合光场，第一复合光场依次经过原子蒸汽池和滤光片后进入第一探测器探测，形成第一信号；第二复合光场依次经过反射镜，可调衰减片和滤光片后进入第二探测器探测，形成第二信号；

第一信号、第二信号分别经过减法器相减后传输到数据采集单元。

优选地，所述第一相干光源、第二相干光源均为连续可调谐的激光光源，所述可调谐的范围是能够覆盖原子的能级跃迁频率；

所述第一相干光源、第二相干光源的工作波长不相同。

本发明提供的一种采用上述装置的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，包括：

扫描步骤：扫描第一相干光源的频率，所述频率的扫描范围覆盖基态所有能级的跃迁频率，将第二相干光源的频率设定为其中的一个跃迁频率；

调制步骤：将第一光场、第二光场分别经过第一脉冲调制器、第二脉冲调制器后调制为脉冲光场，所述脉冲光场的脉冲周期与时钟同步，第二脉冲调制器使得第二相干光源产生的第二光场的输出脉宽大于第一时长，所述第二光场的输出脉冲结束第二时长后，第一脉冲调制器使得第一相干光源输出大于第二时长的光脉冲，所述第一时长大于第二时长；

加热步骤：加热原子蒸汽池至设定温度，调节可调衰减片的衰减系数，使得可调衰减片的衰减与原子蒸汽池的衰减相同；

采集步骤：数据采集单元采集减法器的输出信号，记录第一相干光源的扫描频率，得到原子蒸汽池的吸收谱线；

计算步骤：利用吸收谱线，计算原子蒸汽池的原子密度和原子布居数。

优选地，在第一相干光源的频率调制端增加线性的频率扫描信号单元，将频率扫描信号单元的输出端传输至数据采集单元，能够实时记录第一相干光源的扫描频率。

优选地，所述数据采集单元的输出信号为脉冲信号，取每个脉冲信号的最高点作为原子蒸汽池对光场的吸收强度，记录吸收强度在跃迁频率下对应的吸收谱线。

优选地，根据吸收谱线，所述原子密度的计算利用朗伯比尔定律，通过以下公式：

其中，ρ表示原子密度；

v表示激光频率；

dv表示激光频率的微分元；

l为原子蒸汽池的长度；

下标v表示物理量随频率变化；

iv(0)表示当前激光频率v下的入射光强度，是挡住第一探测器，单独测量第二探测器经减法器后的测量得到的；

iv(l)表示当前激光频率v下的出射光强度；

σ(ν)表示原子的吸收截面。

优选地，截取不同激光频率部分的吸收谱线，利用如下公式得到对应能级的原子布居数几率nn：

其中，下标n取正整数；

ρt表示整个吸收谱线对应的总原子密度；

ρn表示吸收峰所对应的原子能级的布居密度。

优选地，所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，还包括泵浦效率检测步骤：在关闭第二相干光源时，得到当前原子样品各能级的布居几率n1,n2,...,nn，记为第一布居几率，打开相干光源，设定第二光场激光频率、功率及其脉冲宽度，测量得到当前状态下的原子样品能级布居几率m1,m2,...,mn，记为第二布居几率，通过如下公式计算得到当前第二相干光源条件下的泵浦效率：

其中，ηn表示相干光源对第n个吸收峰所对应原子能级的泵浦效率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用差分方法，不仅能够有效去除光路不稳定性对测量的影响，还能消除光源本身的不稳定性的影响。

2、本发明独创性地提出，利用完整吸收谱中的每个单独的吸收谱线与能级跃迁的对应关系，进行数据截取和积分操作，可以计算出原子每个能态的布居数，在单次测量中获取多维数据。

3、本发明采用脉冲调制的办法进行测量，可以使得光学泵浦过程与测量过程交叠进行，两个过程不会相互干扰，进一步提高测量的准确性，且提供了观测光学泵浦效率的新方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为发明实施例中的系统框架示意图；

图2为发明实施例中基于差分吸收法测量得到的原子吸收谱线以及计算布居数时截取的部分吸收谱线及其对应的原子能级跃迁。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置，包括第一相干光源1、第一隔离器3、第一脉冲调制器5、第二相干光源2、第二隔离器4、第二脉冲调制器6、分束器7、原子蒸汽池8、第一滤光片11、第一光电探测器13、反射镜9、可调衰减片10、第二滤光片12、第二光电探测器14、减法器15、数据采集单元16；

第一相干光源1产生的第一光场经过第一隔离器3、第一脉冲调制器5后到达分束器7，第二相干光源2产生的第二光场经过第二隔离器4、第二脉冲调制器6后达到分束器7；

第一光场、第二光场经由分束器7复合后，均分成第一复合光场、第二复合光场，第一复合光场依次经过原子蒸汽池8和滤光片11后进入第一探测器13探测，形成第一信号；第二复合光场依次经过反射镜8，可调衰减片10和滤光片12后进入第二探测器14探测，形成第二信号；

第一信号、第二信号分别经过减法器15相减后传输到数据采集单元16。

具体地，所述第一相干光源1、第二相干光源2均为连续可调谐的激光光源，所述可调谐的范围是能够覆盖原子的能级跃迁频率；

所述第一相干光源1、第二相干光源2的工作波长不相同。

根据本发明提供的采用上述装置的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，包括：

扫描步骤：扫描第一相干光源1的频率，所述频率的扫描范围覆盖基态所有能级的跃迁频率，将第二相干光源2的频率设定为其中的一个跃迁频率；

调制步骤：将第一光场、第二光场分别经过第一脉冲调制器5、第二脉冲调制器6后调制为脉冲光场，所述脉冲光场的脉冲周期与时钟同步，第二脉冲调制器6使得第二相干光源2产生的第二光场的输出脉宽大于第一时长，所述第二光场的输出脉冲结束第二时长后，第一脉冲调制器5使得第一相干光源1输出大于第二时长的光脉冲，所述第一时长大于第二时长；

加热步骤：加热原子蒸汽池8至设定温度，调节可调衰减片10的衰减系数，使得可调衰减片10的衰减与原子蒸汽池8的衰减相同；

采集步骤：数据采集单元16采集减法器15的输出信号，记录第一相干光源1的扫描频率，得到原子蒸汽池8的吸收谱线；

计算步骤：利用吸收谱线，计算原子蒸汽池8的原子密度和原子布居数。

具体地，在第一相干光源1的频率调制端增加线性的频率扫描信号单元，将频率扫描信号单元的输出端传输至数据采集单元16，能够实时记录第一相干光源1的扫描频率。

具体地，所述数据采集单元16的输出信号为脉冲信号，取每个脉冲信号的最高点作为原子蒸汽池8对光场的吸收强度，记录吸收强度在跃迁频率下对应的吸收谱线。

具体地，利用吸收谱线，所述原子密度的计算利用朗伯比尔定律，通过以下公式：

其中，ρ表示原子密度；

v表示激光频率；

dv表示激光频率的微分元；

l为原子蒸汽池8的长度；

下标v表示物理量随频率变化；

iv(0)表示当前激光频率v下的入射光强度，是挡住第一探测器13，单独测量第二探测器14经减法器15后的测量得到的；

iv(l)表示当前激光频率v下的出射光强度；

σ(v)表示原子的吸收截面。

具体地，截取不同激光频率部分的吸收谱线，利用如下公式得到对应能级的原子布居数几率nn：

其中，下标n取正整数；

ρt表示整个吸收谱线对应的总原子密度；

ρn表示吸收峰所对应的原子能级的布居密度。

此时是利用吸收谱中的吸收峰与原子能级跃迁相对应这一特点，谱线中吸收峰1,2,…,n的强度反映了对应的原子能级1,2,…,n的布居密度ρ1,ρ2…,ρn。相应截取吸收谱线的某一个吸收峰n，可计算得到产生这些吸收峰所对应的原子能级的布居密度ρn。同时，也可计算所有整个吸收谱线对应的总原子密度ρt。利用得到原子密度ρ1,ρ2…,ρn和总原子密度ρt，即可计算对应能级的原子布居几率。

具体地，所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，还包括泵浦效率检测步骤：在关闭相干光源2时，得到当前原子样品各能级的布居几率n1,n2,...,nn，记为第一布居几率，打开相干光源2，设定激光频率、功率及其脉冲宽度，测量得到当前状态下的原子样品能级布居几率m1,m2,...,mn，记为第二布居几率，通过如下公式计算得到当前相干光源2条件下的泵浦效率：

其中，ηn表示相干光源2对第n个吸收峰所对应原子能级的泵浦效率。

本发明不仅能够去除由于光源以及光路带来的不稳定性，提高原子密度测量的精确度，还提供了一种原子各能态布居数以及光学泵浦效率的测量测试方法。本发明包括两个相干光源及隔离器；两个脉冲调制器；分束器；原子蒸汽泡；反射镜；可调衰减片；滤光片；两个光电探测器；减法器；数据采集单元。两束光合束后沿两条光路传播，其中一路放置原子池，作为信号光路，一路不放置原子池，作为吸收谱线的校准光路。两路光经探测器转化为电信号后相减，能够去除吸收谱线中由于光路及光源不稳定性带来的影响，提高测量精确度。另外，本发明还能够进一步用于测量光学泵浦制备原子初态的检测。

两个相干光源均为连续可调谐的激光光源，频率调谐范围覆盖原子的能级跃迁频率，且工作波长不同，一个作为信号光光源，另一个作为泵浦光光源。两个相干光源产生的光场，各自经过隔离器后入射到各自的脉冲调制器上，由脉冲调制器调制不同的时序脉冲信号。调制的脉冲周期和时钟相同，但脉冲宽度和延迟不同。经过调制后的信号光场和泵浦光场由分束器的两端入射，经过分束器后两束光合束成为复合光场，随后又被均分为两束完全相同的复合光场，分别沿两条光路传播。其中一束复合光场依次经过原子蒸汽池和滤光片后进入探测器探测，另外一束复合光场依次经过反射镜，可调衰减片和滤光片后进入另一探测器探测。其中，通过调节可调衰减片，使得未放置原子池的光路上，光场的损耗与放置了原子池的光路相同。另外，两条光路上的滤光片均能够很好的滤除泵浦光场，使得信号光场从复合光中分离出来，到达探测器。两个探测器输出的信号输入到减法器中，减法器将两路信号相减后输出到数据采集单元进行数据采集。

采用上述基于差分吸收法测量原子密度及各能态布居数的系统实现基于差分吸收法测量原子密度及各能态布居数的方法，还包括以下步骤：

步骤一，搭建上述系统，扫描信号光源的频率，其频率扫描范围覆盖基态所有基态能级的跃迁。泵浦光源频率固定在某一个跃迁频率。其中扫描信号光源的频率通过给信号光激光器的频率调制端加一个线性的频率扫描信号实现。为了使其频率扫描可控的同时，扫描频率能够被实时记录，加载调制信号的同时将该信号输入至数据采集单元中记录。

步骤二，脉冲调制器控制泵浦光源的输出脉宽大于1us，该脉冲结束100ns后，调制信号光源输出大于100ns的光脉冲。两个脉冲控制器调制的脉冲周期和时钟相同。

步骤三，放置好原子蒸汽池并将其加热至所需温度，调节可调衰减片的衰减系数，使得在信号光场频率与原子非共振时，减法器输出的信号为0。此时可调衰减片对光场的衰减与原子蒸汽池相同。

步骤四，数据采集单元采集减法器输出的信号，结合信号光源的实时扫描频率即可获得原子蒸汽池的吸收谱线。由于数据采集单元采集到的信号为脉冲信号，需取每个脉冲信号的最高点为该激光频率下原子蒸汽池对光场的吸收强度。所有脉冲信号进行相同处理后，即可获得所有激光频率对应的原子蒸汽池的吸收谱。

步骤五，利用获得的吸收谱线，结合beer-lambert定律，我们可以得到热原子蒸汽池的原子密度ρ为

式中，iv(0)为入射光强度，iv(l)为出射光强度，σ(ν)为原子的吸收截面，l为原子蒸汽池的长度。其中，iν(0)为挡住有原子蒸汽池一路的探测器，单独测量放置可调衰减片一路的探测器经减法器后的信号。随后，将获得的原子蒸汽池吸收谱对应原子相应的能级图，确定每个吸收峰与能级跃迁之间的对应关系。利用确定的对应关系，采取数据截取办法，截取所要计算原子能级的对应吸收谱线数据，并利用上述公式可获得对应能级的原子布居数。

步骤六，改变泵浦光源的频率、功率或其脉冲宽度，可实现不同的原子能级布居，重复步骤四和五即可测量当前的光学泵浦条件下的吸收谱和各能态的布居数，从而获得光学泵浦的效率。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体rb原子实施例来进行说明。

本发明第一方面提供了一种基于差分吸收法测量原子密度及各能态布居数的装置，第一相干光源1产生的光场经过第一隔离器3和第一脉冲调制器5后到达分束器7，第二相干光源2产生的光场经过第二隔离器4和第二脉冲调制器6后也到达分束器7，两束光合束成为复合光场后，再均分为两束相同的光场，分别沿两个不同光路传播。其中一束复合光场依次经过原子蒸汽池8和第一滤光片11后进入第一光电探测器13探测，另外一束复合光场依次经过反射镜9，可调衰减片10和第二滤光片12后进入第二光电探测器14探测，第一光电探测器13、第二光电探测器14输出信号经过减法器15相减后传输到数据采集单元16。

第一相干光源1波长为795nm连续可调谐的激光光源，频率调谐范围为13ghz，覆盖rb原子的能级跃迁d1线，作为信号光光源。第二相干光源2波长为780nm连续可调谐的激光光源，频率调谐范围为13ghz，覆盖rb原子的能级跃迁d2线，作为泵浦光光源。两个相干光源产生的光场，各自经过第一隔离器3，第二隔离器4后入射到各自的第一脉冲调制器5，第二脉冲调制器6上，由第一脉冲调制器5，第二脉冲调制器6调制不同的时序脉冲信号。信号光脉冲和泵浦光脉冲由分束器7的两端入射，经过分束器7后两束光合束成为两束完全相同的复合光场，分别沿两个不同光路传播。其中一束复合光场依次经过原子蒸汽池8充有rb原子蒸气和第一滤光片11后进入第一光电探测器13探测，另外一束复合光场依次经过反射镜9，可调衰减片10和第二滤光片12后进入第一光电探测器14。其中，通过调节可调衰减片10，使得该光路上光场的损耗与放置了原子蒸气池8的光路相同。另外，两条光路上的第一滤光片11、第二滤光片12均能够很好的滤除泵浦光场，使得信号光场从复合光中分离出来，到达第一光电探测器13、第二光电探测器14。两个探测器输出的信号输入到减法器15中，减法器15将两路信号相减后输出到数据采集单元16进行数据采集。

采用上述基于差分吸收法测量原子密度及各能态布居数的系统实现基于差分吸收法测量原子密度及各能态布居数的方法，还包括以下步骤：

步骤一，搭建上述系统，扫描信号光源的频率，其频率扫描范围为10ghz，覆盖所有d1线能级的跃迁。泵浦光源频率固定在d2线共振跃迁频率处。通过给信号光激光器的频率调制端加一个三角波频率扫描信号实现信号光的频率扫描控制。为了使其频率扫描可控的同时，扫描频率能够被实时记录，加载调制信号的同时将该三角波信号输入至数据采集单元中记录。

步骤二，调整两个脉冲调制器，使其脉冲周期均为100us，时钟均为1mhz。其中泵浦光脉冲脉宽90um，信号光脉冲在泵浦光脉冲结束100ns后开始，脉宽为100ns。

步骤三，放置好原子蒸汽池并将其加热至所需温度，调节可调衰减片的衰减系数，使得当信号光场频率与原子非共振时，减法器输出的信号为0。此时可调衰减片对光场的衰减与原子蒸汽池相同。

步骤四，数据采集单元采集减法器输出的信号，结合信号光源的实时扫描频率即可获得原子蒸汽池的吸收谱线。由于数据采集单元采集到的信号为脉冲信号，需取每个脉冲信号的最高点为该激光频率下原子蒸汽池对光场的吸收强度。所有脉冲经过相同处理后，即可获得所有激光频率对应的原子蒸汽池的吸收谱。

步骤五，利用吸收谱线，结合beer-lambert定律，我们可以得到热原子蒸汽池的原子密度ρ为

式中，iv(0)为入射光强度，iv(l)为出射光强度，σ(v)为原子的吸收截面，l为原子蒸汽池的长度。其中，iv(0)为挡住有原子蒸汽池一路的探测器，单独测量放置可调衰减片一路的探测器经减法器后的信号。随后，将获得的原子蒸汽池吸收谱对应原子相应的能级图，确定每个吸收峰与能级跃迁之间的对应关系。利用确定的对应关系，如附图2虚线框内，采取数据截取办法，截取所要计算原子能级的对应吸收谱线数据，并利用上述公式可获得对应能级的原子布居数。

步骤六，改变泵浦光源的频率、功率或其脉冲宽度，可实现不同的原子能级布居，重复步骤四和五即可测量当前的光学泵浦条件下的吸收谱和各能态的布居数，从而获得光学泵浦的效率。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。