[发明专利]一种激光功率的量子测量方法

说明书

本发明公开了一种激光功率的量子测量方法。本发明利用了原子特性及原子频标系统，将对激光功率的直接测量转变成对原子跃迁频率的测量，是原子光谱技术与光功率测量的结合，与现有的方法相比，具有原理上的创新。现有的测量方法可达到的测量精度受限，报道的最优值在10^‑4量级，不能满足日益增长的精密测量需求。本发明提高了测量精度，理论上可提高1～2个量级甚至更多，达到10^‑5至10^‑6量级。将提高对激光功率的测量能力、提高光学计量能力，可促进激光计量行业的发展。

技术领域

本发明涉及光学计量技术领域。更具体地，涉及一种激光功率的量子测量方法。

背景技术

在激光加工、激光医疗、激光检测、基础科学研究等领域，对激光各项参数的精确测量要求越来越高，其中一项就是对激光功率的精密测量。目前的测量方法还主要集中在高精度探测器的研究上，其方法主要为直接对光功率进行测量，根据待测激光功率、波长等范围的不同，功率测量不确定度从0.01％到2％不等，即最优的测量不确定度仅达到10^-4量级，已经远远不能满足精密测量需求。

因此，亟需从测量方法上进行改进，提出一种新的测量方法以突破直接测量光功率的精度局限。

发明内容

基于以上背景技术，本发明提出的一种激光功率的量子测量方法，利用原子结构及原子频标系统，突破了现有的指标，实现1～2个量级的测量精度提高。理论上利用本方法，指标可以达到10^-6量级甚至更优。该方法主要是结合了目前学术上精度最高的频率测量，将原本对光功率的直接测量，转换成对频率的测量，从而提高测量精度、提高光学计量精度。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光功率的量子测量方法，该方法包括：

测量原子频标系统正常工作时的输出频率ν₁；

将特定波长的待测激光打入原子频标系统内的原子气室，与原子相互作用，测量此时原子频标系统的输出频率ν₂；原子能级频移量为Δν＝ν₂-ν₁；

根据光频移效应计算得到待测激光功率。

优选地，在标准二能级模型下，原子能级位移En’和激光功率P的关系如下：

其中为普朗克常量；

E_n’是激光作用时的下能级能量；

E_n是没有激光作用时的下能级能量；

H_mn是基态到激发态的跃迁矩阵元，H_mn＝m|H|n，H为系统哈密顿量；

P为入射激光功率

S为入射激光光斑面积；

I_s为原子跃迁饱和光强，对于特定的原子跃迁能级，I_s为常数；

ν₀为没有激光干扰时能级跃迁频率；

ν为入射激光频率；

δ＝ν-ν₀为激光与原子能级之间频率失谐量；Δν＝ν₂-ν₁

Γ表示上能级自然线宽；

利用此关系，当原子能级频移量精确测量后，计算得到入射激光功率。

所述原子能级位移E_n’和激光功率的关系，频移量可简化为：