用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测系统及方法与流程

1.本发明属于碱金属气室关键参数检测技术领域，涉及一种阵列式原位检测系统及方法，尤其是一种用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测系统及方法。


背景技术：

2.碱金属气室在原子磁强计、原子自旋陀螺仪、原子钟、原子频标以及激光器锁频等领域被广泛应用且作为核心元件，它的一些关键参数的测量技术也一直备受关注。
3.碱金属气室的关键参数有原子数密度、温度、温度梯度、壁厚和折射率等。
4.目前，比较常见的原子密度检测的方法有光旋法检测和光深法检测。光旋法是利用线偏振光的farady旋光效应，通过在碱金属气室上施加一个强磁场，线偏振激光通过碱金属气室时，不同的原子数密度对应线偏振光的偏振方向旋转角不同，从而实现原子数密度的测量。光深法则是利用线偏振激光经过碱金属气室时，路径上原子数密度不同，激光的透射强度也不同，通过测量线偏振光经过碱金属气室的后的透射率便可得到原子数密度。
5.由于光深法检测不需要施加强磁场，也不需要参数扫描，其原理简单、操作方便，因而使用比较广泛。但是大多检测方案中采用一束激光入射，或者采用移动原子气室让光束从气室的不同位置穿过的方案，这些方案的测量结果要不只能反映碱金属气室的局部参数信息，要不会受时变因素影响，导致测量结果不准确。
6.经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术的公开文献。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测系统，能够解决原子气室不同位置的原子数密度等多个参数的同步且原位测量技术问题。
8.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
9.一种用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测系统，包括：依次连接的激光器、扩束光路、扩散片激光匀化光路、双微透镜阵列匀光光路、起偏器、被测碱金属气室、衰减片和ccd成像系统；
10.所述激光器出射光束先经扩束光路进行扩束，接着经扩散片激光匀化光路对光束进行初步的匀化处理，再经双微透镜阵列匀光光路，使其出射光束为均匀的光束阵列；出射的光束阵列经起偏器进行起偏，使其为偏振度较高的线偏振激光；然后入射到被测碱金属气室，出射后光束经由预设衰减率的衰减片进行衰减，以防止后端的ccd成像系统饱和，衰减后阵列光束进入后端的ccd成像系统。
11.而且，在测量过程中通过调谐激光器波长，使入射激光束的波长与被测碱金属原子气室内的碱金属原子谱线共振。
12.而且，所述扩束光路由两个焦距不同的透镜组成，并且两透镜的焦点重合，焦距小的透镜为入射透镜，焦距大的透镜为出射透镜。
13.而且，所述扩散片激光匀化光路由一个扩散片和两个参数相同的聚焦透镜组成，两个聚焦透镜的焦点重合，扩散片位于两个透镜中间的焦点位置；激光束入射后在第一个聚焦透镜上聚焦，扩散片在聚焦透镜的焦面上，经扩散片对光束进行匀化后，再经后端聚焦透镜准直输出。
14.而且，所述双微透镜阵列匀光光路由两片规格参数相近的微透镜阵列组成；激光光束经扩束准直，以及初步匀化后，平行入射双微透镜阵列匀光光路，出射光束为均匀的光束阵列。
15.而且，所述碱金属气室后端衰减片的衰减比选择应根据实际入射光束功率、碱金属气室温度来进行选定，且需保证后端ccd采集系统不至于饱和。入射功率越大，衰减片的衰减比也越大。碱金属气室温度越高，衰减片的衰减比也越高。
16.而且，所述ccd成像系统采用全帧型大面阵ccd，便于全方位接收光束的透射信息。
17.而且，所述ccd成像系统的感光面中心和原子气室的被检测面中心要尽可能对齐以及感光面与碱金属气室被检测面保持平行。
18.一种用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测方法，包括以下步骤：
19.步骤1、先测试图像灰度与ccd成像系统接收光强之间的对应关系；
20.步骤2、在无碱金属原子气室时，通过选择衰减系数为α的衰减片，使得ccd成像系统不饱和，并根据灰度与入射光强度的线性关系，通过所成像中光斑面积内的灰度和，便可得到阵列光束中各光束的强度，此即为入射强度：
21.i
ki
＝k(∑pn)
ki
/α
22.步骤3、将碱金属气室放入对应位置，并调节通过精密方位调节器进行方位调节，使得原子气室的被测面中心与ccd光敏面中心基本重合，且两个面基本平行；
23.步骤4、通过选择合适衰减系数β，使得ccd成像灰度适中，并利用步骤2同样的方式计算光束强度作为各位置的出射强度：
24.i
ji
＝k(σpn)
ji
/β
25.步骤5、计算各位置的透射率：
[0026][0027]
步骤6、利用光深法原理和饱和蒸汽压经验公式，计算得到各位置的原子数密度和温度。根据计算得到的温度便可得到对应的温度梯度。
[0028]
而且，所述步骤1的具体方法为：利用单光束激光束以不同光功率，分别入射ccd成像系统，并记录ccd成像系统光束光斑面积区域内的灰度和。通过拟合得到灰度与入射光功率的线性关系系数，即：
[0029]
i＝k∑pi。
[0030]
本发明的优点和有益效果：
[0031]
1、本发明提出一种用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测系统及方法，通过扩散片激光匀化光路和双微透镜阵列光路产生一个光束阵列，并入射碱金属气室与碱金属原子进行作用，再利用由一个衰减片和一个全帧型的大面阵ccd组成的信息采集系统同步得到碱金属原子气室各位置的透射信息，根据光深法原理，利用透射信息得到各位置的
原子数密度、温度、温度梯度以及热平衡态信息。本发明的结构更加简单，且够实现多位置的参数的同步测量。
[0032]
2、本发明采用扩散片激光匀化光路对激光束进行初步匀化，可以很大程度提高激光束的光强均匀性，有利于后端的光束阵列产生。
[0033]
3、本发明采用双微透镜阵列产生阵列光束，比传统的分光器件产生阵列光束的方案结构更加简单。
[0034]
4、本发明采用全帧型大面阵ccd采集系统，其具有较大的感光面积，可以满足大多数尺寸的碱金属气室测量。
[0035]
5、本发明采用光束阵列同步入射碱金属气室，进行多位置同步实时测量，避免了测量过程中一些时变因素对参数测量结果的影响。例如，原子的运动随机性、气室的热平衡状态以及外部加热的不稳定性等等造成不同时刻同一位置的原子数密度等参数的不同。
[0036]
6、本发明采用光束阵列与碱金属原子作用，并基于光深理论和饱和蒸汽压理论，可以测量碱金属气室内部各位置即刻的原子数密度、温度和温度梯度等多个参数。并且不需要进行多次测量。
附图说明
[0037]
图1为本发明一种用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测系统的整体示意图；
[0038]
图2为无碱金属原子气室的系统的整体示意图；
[0039]
图3为本发明中扩束光路示意图；
[0040]
图4为本发明中扩散片激光匀化光路示意图；
[0041]
图5为本发明中双微透镜阵列匀光光路示意图；
[0042]
图6为本发明中理想的9光束阵列截面与碱金属原子气室光束入射面位置示意图；
[0043]
附图标记说明：
[0044]
1-激光器；2-扩束光路；3-扩散片激光匀化光路；4-双微透镜阵列匀光光路；5-起偏器；6-被测碱金属气室；7-衰减片；8-ccd成像系统。
具体实施方式
[0045]
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
[0046]
一种用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测系统，如图1至图5所示，包括：依次连接的激光器(1)，扩束光路(2)，扩散片激光匀化光路(3)，双微透镜阵列匀光光路(4)，起偏器(5)，被测碱金属气室(6)，衰减片(7)，ccd成像系统(8)；
[0047]
所述激光器出射光束先经扩束光路进行扩束，接着经扩散片激光匀化光路对光束进行初步的匀化处理，再经双微透镜阵列匀光光路，使其出射光束为均匀的光束阵列；出射的光束阵列经起偏器进行起偏，使其为偏振度较高的线偏振激光；然后入射到被测碱金属气室，出射后光束经由预设衰减率的衰减片进行衰减，以防止后端的ccd成像系统饱和，衰减后阵列光束进入后端的ccd成像系统。
[0048]
在本实施例中，在测量过程中通过调谐激光器波长，使入射激光束的波长与被测碱金属原子气室内的碱金属原子谱线共振。
[0049]
在本实施例中，扩束光路(2)由两个焦距不同的透镜组成，并且两透镜的焦点重合，焦距小的透镜为入射透镜，焦距大的透镜为出射透镜，即焦距小的透镜在入射端，焦距大的透镜在出射端。
[0050]
扩束光路的透镜可根据实际扩束需求选择两个透镜的焦距。
[0051]
在本实施例中，所述扩散片激光匀化光路由一个扩散片和两个参数相同的聚焦透镜组成，两个聚焦透镜的焦点重合，扩散片位于两个透镜中间的焦点位置；激光束入射后在第一个聚焦透镜上聚焦，扩散片在聚焦透镜的焦面上，经扩散片对光束进行匀化后，再经后端聚焦透镜准直输出。
[0052]
在本实施例中，所述双微透镜阵列匀光光路由两片规格参数相近的微透镜阵列组成；激光光束经扩束准直，以及初步匀化后，平行入射双微透镜阵列匀光光路，出射光束为均匀的光束阵列；
[0053]
微透镜阵列的微透镜单元数量以及尺寸应根据所需要的光束数量和尺寸进行设计加工。
[0054]
在本实施例中，所述碱金属气室后端衰减片的衰减比选择应根据实际入射光束功率、碱金属气室温度来进行选定，且需保证后端ccd采集系统不至于饱和。入射功率越大，衰减片的衰减比也越大。碱金属气室温度越高，衰减片的衰减比也越高。
[0055]
在本实施例中，所述ccd成像系统采用全帧型大面阵ccd，便于全方位接收光束的透射信息。其动态范围大且光敏面积大的优点能够很好地满足本检测系统的需求。
[0056]
在本实施例中，为了检测的准确性，本检测系统要求所述ccd成像系统的感光面中心和原子气室的被检测面中心要尽可能对齐以及感光面与碱金属气室被检测面保持平行。在碱金属气室检测之前要求进过精密方位调节，使得ccd感光面中心和原子气室的被检测面中心尽可能对齐以及两个面保持平行。
[0057]
在检测之前，需要先在系统无碱金属气室情况下确定入射光束经衰减片后在ccd上所成的像，作为入射光束强度。在存在被测碱金属气室时，也会有对应的成像，通过两幅图像的灰度比较，便可得到被测碱金属气室的透射率。再利用光深法原理和饱和蒸汽压经验公式，计算得到对应位置的原子数密度、温度、温度梯度，并且在不同时刻进行温度测量，通过计算各位置的温度梯度便可确定系统是否达到热平衡以及整个过程所需的时间。
[0058]
线偏振激光经过碱金属原子气室时，光束的强度衰减满足如下关系
[0059]
i(z)＝i(0)exp(-nσ(v)l)
[0060]
经过换算便可得到如下关系，由以下公式便可看出，光学深度与激光的透射率成指数关系。
[0061][0062]
当采用共振激光入射时，光谱吸收横截面积为
[0063][0064]
通过以上几个公式结合，便可计算出原子数密度为
[0065]
[0066]
然后根据上述饱和蒸汽压经验公式，便可得到对应位置的温度。
[0067][0068]
其中，i(z)为在z处的激光强度，i(0)为入射光强度，n为原子数密度，σ(v)为碱金属原子的光谱吸收截面积，l为光束在气室内经过的距离，c为光速，re为电子半径，f为谐振强度，γ为碱金属原子吸收谱线展宽，v为光束频率，v0为共振频率，ak、bk为饱和蒸汽压经验系数，t为温度。
[0069]
一种用于碱金属气室多参数测量的阵列式原位检测方法，包括以下步骤：
[0070]
步骤1、先测试图像灰度与ccd成像系统接收光强之间的对应关系；
[0071]
所述步骤1的具体方法为：利用单光束激光束以不同光功率，分别入射ccd成像系统，并记录ccd成像系统光束光斑面积区域内的灰度和。通过拟合得到灰度与入射光功率的线性关系系数，即：
[0072]
i＝k∑pi[0073]
步骤2、在无碱金属原子气室时，通过选择衰减系数为α的衰减片，使得ccd成像系统不饱和，并根据灰度与入射光强度的线性关系，通过所成像中光斑面积内的灰度和，便可得到阵列光束中各光束的强度，此即为入射强度：
[0074]iki
＝k(∑pn)
ki
/α
[0075]
步骤3、将碱金属气室放入对应位置，并调节通过精密方位调节器进行方位调节，使得原子气室的被测面中心与ccd光敏面中心基本重合，且两个面基本平行；
[0076]
步骤4、通过选择合适衰减系数β，使得ccd成像灰度适中，并利用步骤2同样的方式计算光束强度作为各位置的出射强度：
[0077]iji
＝k(∑pn)
ji
/β
[0078]
步骤5、计算各位置的透射率：
[0079][0080]
步骤6、利用光深法原理和饱和蒸汽压经验公式，计算得到各位置的原子数密度和温度。根据计算得到的温度便可得到对应的温度梯度。
[0081]
在本实施例中，通过不同时刻测量，在不同位置的透射率不再发生明显改变时，说明碱金属原子气室已经达到了平衡态，以此可判断原子气室是否达到了热平衡，并且可得到整个过程所需要时间。
[0082]
本发明中扩束光路的扩束比、双微透镜阵列的微透镜数量以及微透镜单元口径、衰减片衰减系数均需要根据实际测量需要进行调整。
[0083]
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。