一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法

1.本发明涉及量子精密测量与传感领域，具体涉及一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，通过光学方法测出穿过碱金属原子气室的检测光束的光程随温度的变化，能够直接获得被测区域的碱金属气室内部的热力学温度，从而实现碱金属气室内部温度的实时原位测量与控制。


背景技术：

2.超高灵敏原子自旋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。而碱金属气室是原子自旋惯性测量系统的敏感核心。在制备碱金属气室时，碱金属原子和惰性气体原子被同时充制到方形或者圆形的玻璃气室内部。碱金属气室的温度直接决定了碱金属气态原子的数密度、平均热运动速度等参数，成为原子自旋惯性测量系统稳定性和灵敏度的主要因素之一。而且原子系综对于磁场低频噪声极为敏感，所以还应保证气室温度控制过程中引入的低频磁场干扰尽可能小，这些要求导致一些常规的温度控制技术无法在碱金属气室温度控制中使用。
3.目前碱金属气室的温度控制使用最广泛的方案是基于铂电阻的测温方法，可分为基于铂电阻四线制直流测温和基于铂电阻交流电桥测温。但这两种测温方式只能测量和控制碱金属气室外壁的单点温度，不但无法反应气室内原子系综的真实温度，而且还会引入磁场低频噪声。综上所述，实现碱金属气室内部原子系综温度的高精度测量和稳定控制具有重要意义。本发明提出一种基于光热偏折的气室温度控制方法，将为相似的气室的测量与控制提供指导和借鉴。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，通过光学方法测出穿过碱金属原子气室的检测光束的光程随温度的变化，能够直接获得被测区域的碱金属气室内部的热力学温度，从而实现碱金属气室内部温度的实时原位测量与控制。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，包括沿z轴照射碱金属气室的抽运光束，以及沿与x轴呈θ角穿过碱金属气室的检测光束，由于原子系综相对折射率σ会随温度发生变化，光的传播方向会发生变化，检测光经过原子系综的光程发生变化，表现为检测光束穿过碱金属气室后呈现在光束位置探测器的位置坐标的不同，记为(x，y)。通过(x，y)可以确定碱金属气室折射率σ，通过σ确定碱金属原子数密度n，通过n确定碱金属气室内部温度t，通过t确定对碱金属气室的加热进行控制，进而实现对碱金属气室温度进行控制。
[0007][0008]
其中n(t)表示碱金属原子数密度n关于碱金属气室内部温度t的函数，na与nb为两种不同碱金属本身的常数；
[0009][0010]
其中c为光速，n为碱金属原子数密度，re为电子经典半径，f为振子强度，d(w)为色散曲线，w为检测光频率；
[0011]
y＝ltanβ+dtanα
[0012]
其中l为碱金属气室的边长，d为碱金属气室距离光束位置探测器的距离，α为检测光束入射碱金属气室的角度，β为检测光束入射碱金属气室的折射角；
[0013][0014]
其中σ2表示原子系综的折射率，σ1表示周围环境的折射率。
[0015]
由于所用碱金属气室为轴对称结构，x的表达式与y相同。
[0016]
以(x，y)作为碱金属气室内部温度t的敏感信号，通过pid控制，实现基于光热偏折测温的碱金属气室温度高精度测量与碱金属气室温度高精度控制。
[0017]
所述检测光束为远失谐检测光束，以避免破坏碱金属原子的极化，保证基于光热偏折检测碱金属气室温度的实时性和准确度。
[0018]
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，磁屏蔽系统，三维主动磁补偿线圈，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由于光程变化偏离中心并输入到位置探测器，所述位置探测器依次通过计算机和加热电路控制系统连接所述烤箱。
[0019]
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，磁屏蔽系统，三维主动磁补偿线圈，以及烤箱入射所述碱金属气室。
[0020]
所述位置探测器采用ccd相机或四象限pd探测器。
[0021]
包括如下步骤：
[0022]
步骤s1，启动超高灵敏原子自旋精密测量系统；
[0023]
步骤s2，进行磁场补偿，使高灵敏原子自旋精密测量系统处于正常工作状态；
[0024]
步骤s3，使用一束检测激光穿过待测碱金属气室的中心；
[0025]
步骤s4，检测激光穿过碱金属气室后照射在高精度位置探测器上；
[0026]
步骤s5，由于碱金属气室内部的原子系综数密度随温度发生变化，导致气室内部折射率发生变化，碱金属气室折射率的变化将会导致穿过碱金属气室的激光光束偏离中心，通过高精度位置探测器获得光束偏离中心的坐标(x，y)；
[0027]
步骤s6，通过坐标(x，y)，碱金属气室的边长l以及高精度位置探测器距离气室的距离d，得到原子系综的相对折射率σ2；
[0028]
步骤s7，通过原子系综的相对折射率σ2计算碱金属原子数密度n，然后根据碱金属原子数密度n和碱金属气室内部温度t的关系得到t；
[0029]
步骤s8，以检测激光偏离中心的坐标(x，y)作为碱金属气室内部温度t的敏感信
号，计算机根据探测计算得到碱金属气室内部温度t与预设气室温度进行对比，通过加热电路控制系统对烤箱的温度进行闭环控制，从而实现基于光热偏折测温的碱金属气室温度的高精度测量与控制。
[0030]
本发明的技术效果如下：本发明一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，通过光热偏折角与碱金属气室折射率之间的关系，结合利用不同的碱金属原子数密度会带来不同的碱金属气室折射率，实现对碱金属气室温度的测量与控制。本发明基于光学方法进行测温，而非通过铂电阻对碱金属气室外的单点进行间接测量。不仅避免了监控点环境噪声的影响，而且避免了测温信号传输过程中低频电磁噪声对原子系综的干扰。与现有的非接触式测温方法相比，本发明的精度更高。且测量的信息为气室内部整体温度场的信息，而非红外测温方法等技术测量到的气室表面的温度信息。同时采用远失谐的检测光束，不会破坏原子的极化，保证了实时性和准确度。本方法这对于量子精密测量具有非常大的实用价值。
附图说明
[0031]
图1是实施本发明一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法使用的超高灵敏原子自旋测量系统结构示意图。图1中抽运激光器1发射的抽运光沿z轴照射碱金属气室9，检测激光器3发射的检测光沿x轴穿越碱金属气室9后与x轴之间形成光热偏折角θ并通过高精度位置探测器进入计算机10，计算机10通过加热电路控制系统控制烤箱以实现对碱金属气室温度进行控制。
[0032]
图2是图1中碱金属气室与高精度位置探测器的组合结构示意图。图2中l为碱金属气室的边长，d为碱金属气室距离光束位置探测器(即高精度位置探测器)的距离，α为检测光束入射碱金属气室的角度，β为检测光束入射碱金属气室的折射角。
[0033]
附图标记列示如下：1—抽运激光器，2—抽运光学系统，3—检测激光器，4—检测光学系统，5—高精度位置探测器(即位置探测器)，6—磁屏蔽系统，7—三维主动磁补偿线圈，8—烤箱，9—碱金属气室，10—计算机，11—加热电路控制系统，θ-光热偏折角。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。
[0035]
图1是实施本发明一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法使用的超高灵敏原子自旋测量系统结构示意图。图2是图1中碱金属气室与高精度位置探测器的组合结构示意图。参考图1至图2所示，一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，包括沿z轴照射碱金属气室的抽运光束，以及沿与x轴呈θ角穿过碱金属气室的检测光束，由于原子系综相对折射率σ2会随温度发生变化，光的传播方向会发生变化，检测光经过原子系综的光程发生变化，表现为检测光束穿过碱金属气室后呈现在光束位置探测器的位置坐标的不同，记为(x，y)。通过(x，y)可以确定碱金属气室折射率σ，通过σ2确定碱金属原子数密度n，通过n确定碱金属气室内部温度t，通过t确定对碱金属气室的加热进行控制，进而实现对碱金属气室温度进行控制。
[0036]
[0037]
其中n(t)表示碱金属原子数密度n关于碱金属气室内部温度t的函数，na与nb为两种不同碱金属本身的常数；
[0038][0039]
其中c为光速，n为碱金属原子数密度，re为电子经典半径，f为振子强度，d(w)为色散曲线，w为检测光频率；
[0040]
y＝ltanβ+dtanα
[0041]
其中l为碱金属气室的边长，d为碱金属气室距离光束位置探测器的距离，α为检测光束入射碱金属气室的角度，β为检测光束入射碱金属气室的折射角；
[0042][0043]
其中σ2表示原子系综的折射率，σ1表示周围环境的折射率。
[0044]
由于所用碱金属气室为轴对称结构，x的表达式与y相同。
[0045]
以(x,y)作为碱金属气室内部温度t的敏感信号，通过pid控制(pid，proportional integral derivative，比例-积分-微分)，实现基于光热偏折测温的碱金属气室温度高精度测量与碱金属气室温度高精度控制。所述检测光束为远失谐检测光束，以避免破坏碱金属原子的极化，保证基于光热偏折检测碱金属气室温度的实时性和准确度。
[0046]
所述检测光束来自于检测激光器3，所述检测激光器3发射的检测光束依次通过检测光学系统4，磁屏蔽系统6，三维主动磁补偿线圈7，以及烤箱8入射所述碱金属气室9，从所述碱金属气室9出射的检测光束与x轴之间形成光热偏折角θ并输入到位置探测器5，所述位置探测器5依次通过计算机10和加热电路控制系统11连接所述烤箱8。所述抽运光束来自于抽运激光器1，所述抽运激光器1发射的抽运光束依次通过抽运光学系统2，磁屏蔽系统6，三维主动磁补偿线圈7，以及烤箱8入射所述碱金属气室9。所述位置探测器5采用ccd相机或四象限pd探测器。
[0047]
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，进行磁场补偿，使高灵敏原子自旋精密测量系统处于正常工作状态；步骤s3，使用一束检测激光穿过待测碱金属气室的中心；步骤s4，检测激光穿过碱金属气室后照射在高精度位置探测器上；步骤s5，由于碱金属气室内部的原子系综数密度随温度发生变化，导致气室内部折射率发生变化，碱金属气室折射率的变化将会导致穿过碱金属气室的激光光束偏离中心，通过高精度位置探测器获得光束偏离中心的坐标(x,y)；步骤s6，通过坐标(x,y)以及高精度位置探测器距离气室的距离d，得到原子系综的相对折射率σ2；步骤s7，通过原子系综的相对折射率σ2计算碱金属原子数密度n，然后根据碱金属原子数密度n和碱金属气室内部温度t的关系得到t；步骤s8，以检测激光偏离中心的坐标(x,y)作为碱金属气室内部温度t的敏感信号，计算机根据探测计算得到碱金属气室内部温度t与预设气室温度进行对比，通过加热电路控制系统对烤箱的温度进行闭环控制，从而实现基于光热偏折测温的碱金属气室温度的高精度测量与控制。
[0048]
本发明一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，针对碱金属气室的温度测量与控制问题，通过光学方法测出穿过碱金属原子气室的检测光束的光程随温度的变化，能够直接获得被测区域的碱金属气室内部的热力学温度，从而实现碱金属气室内部温度的
实时原位测量与控制，具体实施步骤如下：
[0049]
步骤s1，启动超高灵敏原子自旋测量系统，加热碱金属气室9，使碱金属原子达到极化稳定的状态；
[0050]
步骤s2，使用三维主动磁补偿线圈7进行磁场补偿，使超高灵敏原子自旋惯性测量系统处于正常工作状态；
[0051]
其中，超高灵敏原子自旋测量系统将充制有k(钾)和rb(铷)两种碱金属原子的碱金属气室9安装在烤箱8中，烤箱8由加热电路控制系统11驱动，改变加热电路控制系统11的设定值就可以相应改变烤箱8的温度，进而改变碱金属气室9的温度。所述超高灵敏原子自旋测量系统采用三维磁补偿线圈7进行磁场补偿。抽运激光器1输出的激光经过抽运光学系统2，实现抽运光的功率稳定和频率稳定、光斑直径扩大、抽运激光方向改变并转变为圆偏振光后，将抽运光照射到碱金属气室9上。磁屏蔽系统6屏蔽外界磁场，为超高灵敏原子自旋测量系统提供极弱磁场环境；
[0052]
步骤s3，检测激光器3输出的检测光经过检测光学系统4，实现检测光的功率稳定和频率稳定后通过碱金属气室9；
[0053]
步骤s4，在检测激光穿过气室距离为d的位置布置高精度位置探测器5，检测激光穿过气室9后照射在高精度位置探测器5上；
[0054]
步骤s5，由于碱金属气室9内部原子系综的密度随温度发生变化，导致气室内部原子系综的相对折射率σ2，原子系综的相对折射率σ2的变化将会导致穿过碱金属气室9的激光光束偏离中心，通过高精度位置探测器5可以获得光束偏离中心的坐标(x,y)；
[0055]
步骤s6，通过坐标(x，y)，碱金属气室的边长l以及高精度位置探测器距离气室的距离d，得到检测光束入射碱金属气室的折射角β。
[0056]
折射角β与坐标(x，y)的关系为：
[0057]
y＝ltanβ+dtanα
[0058]
由于所用碱金属气室为轴对称结构，x的表达式与y相同
[0059]
步骤s7，通过折射角β可以获到原子系综的相对折射率σ2的值，折射角β与原子系综的相对折射率σ2的关系为：
[0060][0061]
其中σ2为原子系综的相对折射率，σ1为周围环境的折射率。
[0062]
步骤s8，通过原子系综的相对折射率σ2可以计算碱金属原子数密度n，计算公式为：
[0063][0064]
其中，c为光速，n为碱金属原子数密度，re为电子经典半径，f为振子强度，d(w)为色散曲线，w为检测激光的频率。
[0065]
步骤s9，根据碱金属原子数密度n和碱金属气室温度t的关系得到碱金属气室9的温度t。
[0066]
碱金属原子数密度n与碱金属气室温度t的关系如下：
[0067][0068]
其中为碱金属密度n关于温度t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。
[0069]
步骤s10，以检测激光偏离中心的坐标(x，y)作为碱金属气室内部温度的敏感信号，计算机10根据探测计算得到碱金属气室内部温度与预设气室温度进行对比，通过加热电路控制系统11对烤箱8的温度进行闭环控制，从而实现基于光热偏折测温的碱金属气室9温度的高精度测量与控制。
[0070]
综上，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，即通过光热偏折角实现碱金属气室温度的测量与控制。
[0071]
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。

技术特征：
1.一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，包括沿z轴照射碱金属气室的抽运光束，以及沿与x轴呈θ角穿过碱金属气室的检测光束，由于原子系综相对折射率σ2会随温度发生变化，光的传播方向会发生变化，检测光经过原子系综的光程发生变化，表现为检测光束穿过碱金属气室后呈现在光束位置探测器的位置坐标的不同，记为(x，y)。通过(x，y)可以确定原子系综的相对折射率σ2，通过σ2确定碱金属原子数密度n，通过n确定碱金属气室内部温度t，通过t确定对碱金属气室的加热进行控制，进而实现对碱金属气室温度进行控制。2.根据权利要求1所述的基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，其中n(t)表示碱金属原子数密度n关于碱金属气室内部温度t的函数，n
a
与n
b
为两种不同碱金属本身的常数；其中c为光速，n为碱金属原子数密度，r
e
为电子经典半径，f为振子强度，d(w)为色散曲线，w为检测光频率；y＝ltanβ+dtanα其中l为碱金属气室的边长，d为碱金属气室距离光束位置探测器的距离，α为检测光束入射碱金属气室的角度，β为检测光束入射碱金属气室的折射角；由于所用碱金属气室为轴对称结构，x的表达式与y相同其中σ2表示原子系综的折射率，σ1表示周围环境的折射率。3.根据权利要求1所述的基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，以检测激光偏离中心的坐标(x，y)作为碱金属气室内部温度t的敏感信号，通过pid控制，实现基于光热偏折测温的碱金属气室温度高精度测量与碱金属气室温度高精度控制。4.根据权利要求1所述的基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，所述检测光束为远失谐检测光束，以避免破坏碱金属原子的极化，保证基于光热偏折检测碱金属气室温度的实时性和准确度。5.根据权利要求1所述的基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，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，磁屏蔽系统，三维主动磁补偿线圈，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穿过碱金属气室并输入到位置探测器，所述位置探测器依次通过计算机和加热电路控制系统连接所述烤箱。6.根据权利要求1所述的基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，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，磁屏蔽系统，三维主动磁补偿线圈，以及烤箱入射所述碱金属气室。7.根据权利要求1所述的基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，所述
位置探测器采用ccd相机或四象限pd探测器。8.根据权利要求1所述的基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，其特征在于，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，进行磁场补偿，使高灵敏原子自旋精密测量系统处于正常工作状态；步骤s3，使用一束检测激光穿过待测碱金属气室的中心；步骤s4，检测激光穿过碱金属气室后照射在高精度位置探测器上；步骤s5，由于碱金属气室内部的原子系综数密度随温度发生变化，导致气室内部折射率发生变化，碱金属气室折射率的变化将会导致穿过碱金属气室的激光光束偏离中心，通过高精度位置探测器获得光束偏离中心的坐标(x，y)；步骤s6，通过距离d以及高精度位置探测器距离气室的距离l，得到检测光束入射碱金属气室的折射角β；步骤s7，通过折射角β可以获到原子系综相对折射率σ2的值，通过碱金属气室折射率σ2计算碱金属原子数密度n，然后根据碱金属原子数密度n和碱金属气室内部温度t的关系得到t；步骤s8，以检测激光偏离中心的坐标(x，y)作为碱金属气室内部温度t的敏感信号，计算机根据探测计算得到碱金属气室内部温度t与预设气室温度进行对比，通过加热电路控制系统对烤箱的温度进行闭环控制，从而实现基于光热偏折测温的碱金属气室温度的高精度测量与控制。

技术总结
一种基于光热偏折的碱金属气室温度控制方法，通过光热偏折角与碱金属气室折射率之间的关系，结合利用不同的碱金属原子数密度会带来不同的碱金属气室折射率，实现对碱金属气室温度的测量与控制。本发明基于光学方法进行测温，而非通过铂电阻对碱金属气室外的单点进行间接测量。不仅避免了监控点环境噪声的影响，而且避免了测温信号传输过程中低频电磁噪声对原子系综的干扰。与现有的非接触式测温方法相比，本发明的精度更高。且测量的信息为气室内部整体温度场的信息，而非红外测温方法等技术测量到的气室表面的温度信息。同时采用远失谐的检测光束，不会破坏原子的极化，保证了实时性和准确度。本方法这对于量子精密测量具有非常大的实用价值。非常大的实用价值。非常大的实用价值。


技术研发人员：刘峰 武嘉琪 袁琪 全伟
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.09.01
技术公布日：2023/1/6