一種同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法。該方法首先將充有兩種不同氣體的堿金屬氣室加熱并控制在穩(wěn)定的溫度；之后，分別測量堿金屬原子D1線和D2線的激光吸收光譜，對測得的譜線進行數(shù)據(jù)處理和擬合得到相應的壓力展寬值；最后，根據(jù)已知的單位壓強氣體對應的譜線壓力展寬值，計算出兩種氣體的壓強。本方法適用于充制氣壓較大且包含兩種氣體的堿金屬氣室參數(shù)的檢測，如原子磁強計、原子自旋陀螺儀等儀器中采用的氣室。
【專利說明】
_種同時測量堿金屬氣)室內兩種氣)體壓強的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法，可用于原子磁強 計、原子自旋陀螺儀等儀器中的堿金屬氣室內部氣體參數(shù)的測量。
【背景技術】
[0002] 堿金屬氣室是原子磁強計、原子陀螺儀等量子測量儀器的核心敏感器件。堿金屬 氣室內除了堿金屬原子外，通常還需要充制一種或者幾種氣體。以原子磁強計為例，通常需 要充制兩種氣體，一種作為緩沖氣體用于降低泡壁碰撞弛豫，另一種作為淬滅氣體用于消 除輻射俘獲效應。氣室內充制氣體的多少直接影響原子的弛豫以及系統(tǒng)其它參數(shù)的選取， 因此精確檢測氣室內氣體的壓強有著重要的意義。
[0003] 常用的檢測方法是測量堿金屬氣室的激光吸收光譜，由于充制的氣體會引起吸收 譜線的壓力展寬，而不同氣體單位壓強引起的譜線展寬已有相關文獻給出，因此測量譜線 展寬值就可以計算出氣體的壓強。通常采用這種方法時，僅測量堿金屬一條精細能級對應 的譜線，當氣室內僅有一種氣體時可以實現(xiàn)對氣體壓強較精確的測量，但是當充制兩種氣 體時就無法區(qū)分兩種氣體各自的壓強，因此通常忽略壓強較小的氣體，這會導致顯著的測 量誤差。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明解決的問題是:克服現(xiàn)有常規(guī)方法的不足，基于激光吸收光譜的方法，提供 一種可同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法。該方法分別測量堿金屬原子兩條精細 能級的吸收譜線，并對兩個譜線進行理論擬合得到相應的壓力展寬值，再根據(jù)已知的兩種 氣體單位壓強引起的譜線展寬值解算出兩種氣體各自的壓強。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案為：一種同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法，其 實現(xiàn)方法及步驟如下：
[0006] (1)將待測的堿金屬氣室加熱并控制在穩(wěn)定的溫度；
[0007] (2)采用波長調諧范圍在堿金屬原子D1線附近的窄線寬半導體激光器，將窄線寬 半導體激光器輸出的激光照射于堿金屬氣室并掃頻，測量不同頻率入射激光的透過率，從 而計算出光學深度曲線;然后對光學深度曲線進行洛倫茲函數(shù)擬合，獲得D1線的譜線壓力 展寬值r D1;
[0008] (3)將步驟(2)中采用的激光器更換為波長調諧在堿金屬原子D2線附近的窄線寬 半導體激光器，將窄線寬半導體激光器輸出的激光照射于堿金屬氣室并掃頻，測量不同頻 率入射激光的透過率，從而計算出光學深度曲線;然后對光學深度曲線進行洛倫茲函數(shù)擬 合，得到堿金屬原子D2線的譜線壓力展寬值r D2;
[0009] (4)利用已知的第一種氣體單位壓強引起的堿金屬D1線和D2壓力展寬值rgl D1和 Γ gl D2,和已知的第二種氣體單位壓強引起的堿金屬D1線和D2壓力展寬值Γ g2 D1和Γ g2 D2， 以及步驟⑵和⑶中獲得的rD1和rD2，計算出兩種氣體各自的壓強朽和內，采用的公式為： 「 ^ D1+p2rg2 D1 = rD1 l^rgi-m+巧rg2-K =rD2
[0011] rgl D1、rgl D2、rg2 D1、rg2 D2S4個參數(shù)指的是單位壓強引起的壓力展寬值，是已 知大小的，ΓD1和ΓD2這兩個參數(shù)的值是實際測量得到的壓力展寬值。
[0012] 所述的堿金屬氣室內充制有兩種氣體，并且氣體引起的壓力展寬值遠大于自然展 寬與多普勒展寬。
[0013] 所述步驟(2)中的光學深度曲線計算公式為：
[0015] 其中v為入射激光的頻率，12和1:分別為堿金屬氣室出射和入射激光的光強。
[0016] 所述步驟(2)中的洛倫茲函數(shù)為：
[0018] 其中K為比例系數(shù)，￥為激光頻率，vo為中心頻率，rL為洛倫茲曲線的半高全寬。
[0019] 本發(fā)明的原理在于:堿金屬原子的吸收譜線具有一定的寬度，在沒有其它氣體存 在的情況下存在自然展寬以及多普勒展寬。當氣室內存在氣體時譜線會出現(xiàn)壓力展寬，壓 力展寬的大小與氣體的壓強成正比，當氣室內氣體壓強較大時，壓力展寬將遠大于自然展 寬和多普勒展寬。堿金屬不同的精細能級在不同的氣體中展寬值是不同的，已有很多相關 文獻對單位壓強氣體引起的各精細能級譜線的壓力展寬值進行過詳細測量。因此，通過測 量兩個堿金屬精細能級的譜線展寬值，在根據(jù)文獻中的已知測量結果，就可以計算出兩種 氣體的壓強。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:本發(fā)明通過測量堿金屬原子兩個精細能級D1 線和D2線的壓力展寬值，根據(jù)所充氣體已知的單位壓強引起的譜線壓力展寬值，計算出兩 種氣體的壓強，避免了僅測量一個精細能級譜線導致的忽略較小壓強氣體問題，因此提高 了氣室內氣體壓強的測量精度。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明的測量方法流程圖；
[0022]圖2為本發(fā)明中激光吸收光譜測量的實驗裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，本發(fā)明的具體實施步驟如下：
[0024] (1)將待測的充制有兩種氣體的堿金屬氣室8安裝于如圖2所示的實驗系統(tǒng)中，將 其加熱并控制在穩(wěn)定的溫度。激光器1首先采用可調諧范圍在堿金屬原子D1附近的窄線寬 半導體激光器，其輸出的激光經過光纖分束器2后分為兩束光，一束傳輸波長計3以測量其 頻率，另一束傳輸至光纖準直器4。光纖準直器4將光纖中的激光轉換為空間光輸出，之后通 過起偏器5轉換為線偏振光，之后通過分光比為1:1的消偏振分光棱鏡分為兩束，一束進入 光電探測器7,另一束透過堿金屬氣室8后進入光電探測器9。利用光電探測器7和9測量得到 的光強分別12和II。
[0025] (2)將激光器1的輸出在堿金屬原子D1線附近掃頻，記錄相應的激光頻率v以及光 電探測器的輸出12和，從而實現(xiàn)吸收譜線的測量。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出堿金屬氣室8的光 學深度曲線〇D(v)，公式如下：
[0027]利用洛倫茲函數(shù)對0D(v)進行數(shù)據(jù)擬合，擬合公式如下：
[0029] 其中L( v-vq)為洛倫茲函數(shù)，K為比例系數(shù)，v為激光頻率，νο為中心頻率，Γ l為洛倫 茲曲線的半高全寬，即堿金屬原子D1線的譜線壓力展寬值rD1。
[0030] (3)將步驟(2)中采用的激光器1更換為波長調諧在堿金屬原子D2線附近的窄線寬 半導體激光器，將激光器1的輸出在堿金屬原子D2線附近掃頻，其它實驗過程與步驟(2)相 同，獲得堿金屬原子D2線的譜線壓力展寬值r D2;
[0031] (4)利用已知的第一種氣體單位壓強引起的堿金屬D1線和D2壓力展寬值rgl D1和 Γ gl D2,和已知的第二種氣體單位壓強引起的堿金屬D1線和D2壓力展寬值Γ g2 DdP Γ g2 D2， 以及步驟⑵和⑶中獲得的rD1和rD2，計算出兩種的氣體的壓強大小PjPP2，計算公式為 0032] I - D2+P2r, D2=rD2
[0033]本發(fā)明說明書中未做詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
【主權項】
1. 一種同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 將待測的堿金屬氣室加熱并控制在穩(wěn)定的溫度； (2) 采用波長調諧范圍在堿金屬原子Dl線附近的窄線寬半導體激光器，將窄線寬半導 體激光器輸出的激光照射于堿金屬氣室并掃頻，測量不同頻率入射激光的透過率，從而計 算出光學深度曲線;然后對光學深度曲線進行洛倫茲函數(shù)擬合，獲得Dl線的譜線壓力展寬 值 rD1; (3) 將步驟(2)中采用的激光器更換為波長調諧在堿金屬原子D2線附近的窄線寬半導 體激光器，將窄線寬半導體激光器輸出的激光照射于堿金屬氣室并掃頻，測量不同頻率入 射激光的透過率，從而計算出光學深度曲線;然后對光學深度曲線進行洛倫茲函數(shù)擬合，得 到堿金屬原子D2線的譜線壓力展寬值Γ D2; (4) 利用已知的第一種氣體單位壓強引起的堿金屬Dl線和D2壓力展寬值rgl D1和 Γ gl D2,和已知的第二種氣體單位壓強引起的堿金屬Dl線和D2壓力展寬值Γ g2 DdP Γ g2 D2， 以及步驟⑵和⑶中獲得的rD1和rD2，計算出兩種氣體各自的壓強PjPP2,采用的公式為：rgl D1、rgl D2、rg2 D1、rg2 D2S4個參數(shù)指的是單位壓強引起的壓力展寬值，是已知大 小的，Γ D1和Γ D2這兩個參數(shù)的值是實際測量得到的壓力展寬值。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法，其特征在 于:所述的堿金屬氣室內充制有兩種氣體，并且氣體引起的壓力展寬值遠大于自然展寬與 多普勒展寬。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法，其特征在 于:所述步驟(2)中的光學深度曲線計算公式為：其中V為入射激光的頻率，I2和I :分別為堿金屬氣室出射和入射激光的光強。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種同時測量堿金屬氣室內兩種氣體壓強的方法，其特征在 于:所述步驟(2)中的洛倫茲函數(shù)為：其中K為比例系數(shù)，V為激光頻率，VO為中心頻率，Γ ^為洛倫茲曲線的半高全寬。
【文檔編號】G01N21/39GK106017783SQ201610565185
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】房建成, 錢政, 陸吉璽, 尹彥, 胡朝暉, 劉剛
【申請人】北京航空航天大學