[发明专利]一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法

说明书

本发明涉及一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法，将充有K、Rb的碱金属气室加热到启动温度，测得K、Rb的激光吸收光谱，得到启动温度下K、Rb的密度，联立拉乌尔定律，得出启动温度和启动温度下K、Rb的饱和蒸气压和摩尔分数比；加热气室至工作温度，在SERF态下共振点附近，Rb密度很大，吸收十分强烈，通过曲线拟合获得Rb密度有较大的偏差，因此通过光谱吸收法得到K的密度，结合已知的K的摩尔分数，计算得到工作温度；结合Rb的摩尔分数，得到工作温度下Rb的饱和蒸气压，进而得到工作温度下Rb的密度。本发明适用于混合光抽运中，饱和吸收光谱在原子数密度很大，在共振峰两侧很大的范围吸收很强，通过拟合曲线难以得到密度的情况。

技术领域

本发明涉及一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法，可应用于基于混合光抽运的原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中所采用碱金属气室中碱金属原子密度的精确测量。

背景技术

碱金属气室是原子磁强计、原子陀螺仪等量子测量仪器的核心敏感器件。碱金属原子密度测量可以为SERF原子陀螺仪和磁强计极化率闭环提供支撑；为SERF惯性和磁场测量装置弛豫机理提供基础保障；为SERF装置、样机灵敏度和漂移优化提供研究基础。因此，提出一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法具有重要意义。

现有的经验公式法根据碱金属气室的温度推算碱金属蒸气的原子密度，具有简单便捷的优点，但受温度测量精度限制混合抽运无法使用；光学吸收法根据光通过气室的衰减程度推算原子密度，相对简单、精度较高，但SERF态下共振频率附近吸收光强测量精度差；光旋角法根据激光通过碱金属蒸气时产生的光学偏转角推算碱金属蒸气的原子密度，精度较高，但需要外加磁场，无法测量。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有常规方法的不足，提供一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法，提高了气室内碱金属原子密度的测量精度。

本发明的技术解决方案为：提出一种在启动温度精确测量两种碱金属原子的摩尔分数，在工作温度精确测量较低密度的碱金属原子密度，在工作温度精确推算较高密度的碱金属原子密度的方法，实现基于混合光抽运的碱金属原子密度精确测量。以基于K-Rb-²¹Ne的原子陀螺仪为例。首先，将充有K、Rb两种碱金属原子的碱金属气室加热到较低的启动温度，分别测得两种碱金属原子的激光吸收光谱；对测得的谱线通过理论公式进行拟合并计算，得到启动温度下两种碱金属原子的摩尔分数比；将碱金属气室加热至工作温度，由于在SERF态下共振点附近，Rb原子密度很大，吸收十分强烈，通过曲线拟合获得Rb原子密度存在较大的偏差，因此先通过光谱吸收法得到K原子的密度；结合两种碱金属原子的摩尔分数，通过拉乌尔(Raoult’s law)定律，得到工作温度下Rb原子的密度。本发明适用于传统的饱和吸收光谱在原子数密度很大，即碱金属气室处于工作温度时，在共振峰两侧很大的范围吸收很强，很难通过曲线拟合得到密度的准确值的情况，可以实现混合光抽运下两种碱金属原子密度的精确测量。可应用于基于混合光抽运的原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中所采用碱金属气室中碱金属原子密度的精确测量。

如图1所示，本发明实现方法及步骤如下：

(1)加热充有K、Rb碱金属原子的气室至较低的启动温度T1，启动温度T1范围为100-120℃；

(2)采用波长调谐范围在K、Rb原子D1线附近的分布式布拉格反射激光器DBRL，将DBR激光器输出的激光照射于碱金属气室并进行扫频，测量不同频率入射激光的透过率，从而计算出K、Rb两种碱金属原子的光学深度曲线，然后对光学深度曲线进行洛伦兹函数拟合，获得K、Rb碱金属原子光学深度曲线的压力展宽Γ_{K_T1}、Γ_{Rb_T1}，进而得到K、Rb碱金属原子吸收截面积最大值σ_{max_K_T1}、σ_{max_Rb_T1}，计算K、Rb碱金属原子吸收截面积的公式分别如下：

σ_{max_K_T1}＝2/πΓ_{K_T1}