基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法

1.本发明涉及超高灵敏原子自旋精密测量领域，具体涉及一种基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，可用于实时原位测量玻璃气室内部的原子密度。


背景技术：

2.超高灵敏原子自旋精密测量系统具有理论精度高、体积小、成本低等特点，是未来超高灵敏量子精密测量的发展方向，在导航、地质勘探、前沿科学研究等领域具有广泛的应用前景。玻璃气室内部的原子密度直接影响原子自旋精密测量系统的信噪比和灵敏度，因此，准确且快速地实时原位测量气室内部原子密度具有重要的意义。因此，如何测试原子自旋精密测量系统气室内部的原子密度，成为工程上亟待解决的问题。本发明提出一种基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，可以实现实时原位测量玻璃气室内部的碱金属原子密度(或称之为原子数密度)，对原子自旋精密测量系统的实现和精度提升提供了重要的理论参考。特别地，本发明在测量高密度的饱和蒸气压状态下的碱金属原子密度有更高的准确性。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，通过气室内部缓冲气体的拉曼散射光谱测定气室内部缓冲气体感受到的环境温度，进而实现气室内部碱金属原子密度的实时原位测量。
4.本发明的技术解决方案如下：
5.基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，其特征在于，包括沿x轴照射碱金属气室的检测光束，沿z轴照射碱金属气室的抽运光束，以及沿y轴射碱金属气室的拉曼激光束，所述拉曼激光束从所述碱金属气室出射后经过凸透镜输入到拉曼光谱仪，所述拉曼光谱仪通过所述碱金属气室内部的缓冲气体形成的拉曼散射光谱确定缓冲气体感受到的环境温度，利用所述环境温度得到所述碱金属气室内的碱金属原子数密度，从而实现针对碱金属气室内部的原位原子数密度测量。
6.所述拉曼激光束来自拉曼激光器，所述拉曼激光器采用500nm激光器，所述拉曼光谱仪的输出端依次通过光电倍增管和放大器连接计算机。
7.所述碱金属气室内部充有碱金属原子，以及缓冲气体氮气。
8.所述光电倍增管位于所述拉曼光谱仪的出口狭缝处，通过计算机控制拉曼光谱仪的光栅式旋转电机进行扫描，通过放大器产生的逻辑脉冲获得光子数信息，通过以下公式得到缓冲气体感受到的环境温度t，
[0009][0010]
其中，c为实验测得的光子数，i为拉曼光束光强，v为气室体积，[n2]为缓冲气体的原子数密度，j为精细能级量子数，z为旋转配分函数，ej为初态的转动能级，σ为截面积，k为
玻尔兹曼常数，gj为原子核的相同玻色子交换对称性要求产生的统计因子，e为自然常数；
[0011]
将以上得到的温度t代入下式，
[0012][0013]
其中，n(t)是原子数密度，na与nb是与碱金属原子种类有关的常数，碱金属原子一旦确定，这两个参数就确定。
[0014]
当碱金属原子为钾k时，na＝4.402，nb＝4453；当碱金属原子为铷rb时，na＝4.312，nb＝4040；当碱金属原子为铯cs时，na＝4.165，nb＝3830。
[0015]
所述检测光束来自于检测激光器，所述检测激光器发射的检测光束依次通过检测光学系统，磁屏蔽筒，磁补偿线圈，以及烤箱入射所述碱金属气室，从所述碱金属气室出射的检测光束输入到光电探测器；所述抽运光束来自于抽运激光器，所述抽运激光器发射的抽运光束依次通过抽运光学系统，磁屏蔽筒，磁补偿线圈，以及烤箱入射所述碱金属气室。
[0016]
包括如下步骤：
[0017]
步骤s1，启动超高灵敏原子自旋精密测量系统；
[0018]
步骤s2，通过亥姆霍兹线圈进行三维主动磁场补偿，使超高灵敏原子自旋精密测量系统处于正常工作状态；
[0019]
步骤s3，使用一束500nm波长的拉曼激光束穿过玻璃气室的中心；
[0020]
步骤s4，穿过玻璃气室中心的拉曼激光束通过凸透镜进入拉曼光谱仪；
[0021]
步骤s5，在拉曼光谱仪的狭缝出口处安装用于光子计数的光电倍增管；
[0022]
步骤s6，通过计算机控制拉曼光谱仪的光栅式旋转电机进行扫描，通过放大器产生的逻辑脉冲即可获得不同波长下的光子数信息；
[0023]
步骤s7，将获取的不同波长下的光子数进行高斯分析，从而获得误差加权的不同波长下的光子数峰值信息；
[0024]
步骤s8，将获得的不同波长下的光子数峰值信息通过以下公式进行拟合
[0025][0026]
其中，c为实验测得的光子数，i为拉曼光束光强，v为气室体积，[n2]为缓冲气体的原子数密度，j为精细能级量子数，z为旋转配分函数，ej为初态的转动能级，t为截面积，k为玻尔兹曼常数，t为缓冲气体感受到的环境温度，gj为原子核的相同玻色子交换对称性要求产生的统计因子，e为自然常数；
[0027]
步骤s9，通过实验测得的光子数拟合即可获得缓冲气体感受到的环境温度t；
[0028]
步骤s10，将获得的温度t代入下式得到碱金属原子密度n，
[0029][0030]
其中n(t)为碱金属密度n关于温度t的的函数，其中，t为拟合得到的气体感受到的环境温度，na与nb为不同碱金属本身的常数。
[0031]
本发明的技术效果如下：本发明基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，通过气室内部缓冲气体的拉曼散射光谱测定气室内部缓冲气体的环境温度，进而实现气室内部
原子密度的实时原位测量。与改变抽运光频率来抑制光频移的方法相比，本发明所述方法本方法不受光学厚度的影响，拟合精度高。对于碱金属的种类没有限制，可以对两种及两种以上的混合碱金属密度进行测量。采用远失谐的拉曼光束，不会破坏原子的极化，保证了实时性和准确度。对原子自旋精密测量系统的实现和精度提升提供了重要的理论参考。
附图说明
[0032]
图1是实施本发明基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法涉及的超高灵敏原子自旋测量系统结构示意图。图1中碱金属气室内部的碱金属原子密度采用本发明方法进行测量。图1中抽运激光器1发射的抽运光束沿z轴照射碱金属气室13，检测激光器2发射的检测光束沿x轴照射碱金属气室13，拉曼激光器4发射的拉曼激光束14沿y轴照射碱金属气室13。
[0033]
附图标记列示如下：1—抽运激光器，2—检测激光器，3—光电探测器，4—拉曼激光器(例如，采用500nm激光器)，5—拉曼光谱仪，6—光电倍增管，7—放大器，8—抽运光学系统，9—检测光学系统，10—磁屏蔽筒，11—磁补偿线圈，12—烤箱，13—碱金属气室，14—拉曼激光束，15—凸透镜，16-计算机。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
[0035]
图1是实施本发明基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法涉及的超高灵敏原子自旋测量系统结构示意图。同时图1也表明了基于拉曼光谱的原位原子数密度测量原理。图1中碱金属气室内部的碱金属原子密度采用本发明方法进行测量。图1中抽运激光器1发射的抽运光束沿z轴照射碱金属气室13，检测激光器2发射的检测光束沿x轴照射碱金属气室13，拉曼激光器4发射的拉曼激光束14沿y轴照射碱金属气室13。参考图1所示，基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，包括沿x轴照射碱金属气室13的检测光束，沿z轴照射碱金属气室13的抽运光束，以及沿y轴射碱金属气室13的拉曼激光束14，所述拉曼激光束14从所述碱金属气室13出射后经过凸透镜15输入到拉曼光谱仪5，所述拉曼光谱仪5通过所述碱金属气室13内部的缓冲气体形成的拉曼散射光谱确定缓冲气体感受到的环境温度，利用所述环境温度得到所述碱金属气室13内的碱金属原子数密度，从而实现针对碱金属气室内部的原位原子数密度测量。
[0036]
所述拉曼激光束14来自拉曼激光器4，所述拉曼激光器4采用500nm激光器，所述拉曼光谱仪5的输出端依次通过光电倍增管6和放大器7连接计算机16。所述碱金属气室13内部充有碱金属原子，以及缓冲气体氮气。
[0037]
所述光电倍增管6位于所述拉曼光谱仪5的出口狭缝处，通过计算机16控制拉曼光谱仪5的光栅式旋转电机进行扫描，通过放大器7产生的逻辑脉冲获得光子数信息，通过以下公式得到缓冲气体感受到的环境温度t，
[0038][0039]
其中，c为实验测得的光子数，i为拉曼光束光强，v为气室体积，[n2]为缓冲气体的原子数密度，j为精细能级量子数，z为旋转配分函数，ej为初态的转动能级，σ为截面积，k为
玻尔兹曼常数，gj为原子核的相同玻色子交换对称性要求产生的统计因子，e为自然常数；
[0040]
将以上得到的温度t代入下式，
[0041][0042]
其中，n(t)是原子数密度，na与nb是与碱金属原子种类有关的常数，碱金属原子一旦确定，这两个参数就确定。当碱金属原子为钾k时，na＝4.402，nb＝4453；当碱金属原子为铷rb时，na＝4.312，nb＝4040；当碱金属原子为铯cs时，na＝4.165，nb＝3830。
[0043]
所述检测光束来自于检测激光器，所述检测激光器发射的检测光束依次通过检测光学系统，磁屏蔽筒，磁补偿线圈，以及烤箱入射所述碱金属气室，从所述碱金属气室出射的检测光束输入到光电探测器；所述抽运光束来自于抽运激光器，所述抽运激光器发射的抽运光束依次通过抽运光学系统，磁屏蔽筒，磁补偿线圈，以及烤箱入射所述碱金属气室。
[0044]
包括如下步骤：步骤s1，启动超高灵敏原子自旋精密测量系统；步骤s2，通过亥姆霍兹线圈进行三维主动磁场补偿，使超高灵敏原子自旋精密测量系统处于正常工作状态；步骤s3，使用一束500nm波长的拉曼激光束穿过玻璃气室的中心；步骤s4，穿过玻璃气室中心的拉曼激光束通过凸透镜进入拉曼光谱仪；步骤s5，在拉曼光谱仪的狭缝出口处安装用于光子计数的光电倍增管；步骤s6，通过计算机控制拉曼光谱仪的光栅式旋转电机进行扫描，通过放大器产生的逻辑脉冲即可获得不同波长下的光子数信息；步骤s7，将获取的不同波长下的光子数进行高斯分析，从而获得误差加权的不同波长下的光子数峰值信息；步骤s8，将获得的不同波长下的光子数峰值信息通过以下公式进行拟合，
[0045][0046]
其中，c为实验测得的光子数，i为拉曼光束光强，v为气室体积，[n2]为缓冲气体的原子数密度，j为精细能级量子数，z为旋转配分函数，ej为初态的转动能级，σ为截面积，k为玻尔兹曼常数，t为缓冲气体感受到的环境温度，gj为原子核的相同玻色子交换对称性要求产生的统计因子，e为自然常数；
[0047]
步骤s9，通过实验测得的光子数拟合即可获得缓冲气体感受到的环境温度t；步骤s10，将获得的温度t代入下式得到碱金属原子密度n，
[0048][0049]
其中n(t)为碱金属密度n关于温度t的的函数，其中，t为拟合得到的气体感受到的环境温度，na与nb为不同碱金属本身的常数。
[0050]
本发明基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，通过气室内部缓冲气体的拉曼散射光谱测定气室内部缓冲气体的环境温度，进而实现气室内部原子密度的实时原位测量。与目前常用的吸收光谱法、法拉第旋转法，饱和蒸气压经验公式方法相比，本发明所述一种基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法具备以下优点：相比于吸收光谱法，本方法不受光学厚度的影响，拟合精度高。相比于法拉第旋转法只能测试一种碱金属原子密度，本方法对于碱金属的种类没有限制，可以对两种及两种以上的混合碱金属密度进行测量。相比于饱和蒸气压方法无法深入气室内部的限制，本方法通过拉曼散射实现了气室内部原子
密度的实时原位测量。采用远失谐的拉曼光束，不会破坏原子的极化，保证了实时性和准确度。对原子自旋精密测量系统的实现和精度提升提供了重要的理论参考。
[0051]
本发明人通过实验验证并经过理论验证了本发明所述方法，即一种基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，通过气室内部缓冲气体的拉曼散射光谱测定气室内部缓冲气体的环境温度，进而实现气室内部原子密度的实时原位测量。
[0052]
基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法，其特征在于，通过气室内部缓冲气体的拉曼散射光谱测定气室内部缓冲气体的环境温度，进而实现气室内部原子密度的实时原位测量。
[0053]
使用一束500nm波长的拉曼激光束14穿过待测玻璃气室13的中心。
[0054]
穿过气室13中心的拉曼激光束14通过凸透镜15汇聚后进入拉曼光谱仪5的入射狭缝。
[0055]
用于光子计数的光电倍增管6安装在拉曼光谱仪5的狭缝出口处，计算机16通过控制拉曼光谱仪5的光栅式旋转电机进行扫描，通过放大器7产生的逻辑脉冲即可获得不同波长下的光子数信息。
[0056]
将获取的不同波长下的光子数进行高斯分析，从而获得误差加权的不同波长下的光子数峰值信息。
[0057]
将获得的不同波长下的光子数峰值信息通过以下公式进行拟合：
[0058][0059]
其中，c为实验测得的光子数，i为拉曼光束光强，v为气室体积，[n2]为缓冲气体的原子数密度，j为精细能级量子数，z为旋转配分函数，ej为初态的转动能级，σ为截面积，k为玻尔兹曼常数，t为缓冲气体感受到的环境温度，gj为原子核的相同玻色子交换对称性要求产生的统计因子。
[0060]
将获得的温度t代入下式：
[0061][0062]
其中，t为拟合得到的气体感受到的环境温度，na与nb是与碱金属原子种类有关的常数，碱金属原子一旦确定，这两个参数就确定。通过上式即可获得玻璃气室内部的原子密度n。
[0063]
其拉曼光束的波长应不仅限于500nm。
[0064]
其碱金属原子的种类没有限制，多种碱金属原子的混合密度仍能通过本方法得出。
[0065]
本发明说明书中未作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。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。