[发明专利]基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置，其特征在于，包括第一相干光源(1)、第一隔离器(3)、第一脉冲调制器(5)、第二相干光源(2)、第二隔离器(4)、第二脉冲调制器(6)、分束器(7)、原子蒸汽池(8)、第一滤光片(11)、第一光电探测器(13)、反射镜(9)、可调衰减片(10)、第二滤光片(12)、第二光电探测器(14)、减法器(15)、数据采集单元(16)；

第一相干光源(1)产生的第一光场经过第一隔离器(3)、第一脉冲调制器(5)后到达分束器(7)，第二相干光源(2)产生的第二光场经过第二隔离器(4)、第二脉冲调制器(6)后达到分束器(7)；

第一光场、第二光场经由分束器(7)复合后，均分成第一复合光场、第二复合光场，第一复合光场依次经过原子蒸汽池(8)和滤光片(11)后进入第一探测器(13)探测，形成第一信号；第二复合光场依次经过反射镜(9)，可调衰减片(10)和滤光片(12)后进入第二探测器(14)探测，形成第二信号；

第一信号、第二信号分别经过减法器(15)相减后传输到数据采集单元(16)；

所述第一相干光源(1)、第二相干光源(2)均为连续可调谐的激光光源，所述可调谐的范围是能够覆盖原子的能级跃迁频率；

所述第一相干光源(1)、第二相干光源(2)的工作波长不相同。

2.一种采用权利要求1所述装置的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，包括：

扫描步骤：扫描第一相干光源(1)的频率，所述频率的扫描范围覆盖基态所有能级的跃迁频率，将第二相干光源(2)的频率设定为其中的一个跃迁频率；

调制步骤：将第一光场、第二光场分别经过第一脉冲调制器(5)、第二脉冲调制器(6)后调制为脉冲光场，所述脉冲光场的脉冲周期与时钟同步，第二脉冲调制器(6)使得第二相干光源(2)产生的第二光场的输出脉宽大于第一时长，所述第二光场的输出脉冲结束第二时长后，第一脉冲调制器(5)使得第一相干光源(1)输出大于第二时长的光脉冲，所述第一时长大于第二时长；

加热步骤：加热原子蒸汽池(8)至设定温度，调节可调衰减片(10)的衰减系数，使得可调衰减片(10)的衰减与原子蒸汽池(8)的衰减相同；

采集步骤：数据采集单元(16)采集减法器(15)的输出信号，记录第一相干光源(1)的扫描频率，得到原子蒸汽池(8)的吸收谱线；

计算步骤：利用吸收谱线，计算原子蒸汽池(8)的原子密度和原子布居数。

3.根据权利要求2所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，在第一相干光源(1)的频率调制端增加线性的频率扫描信号单元，将频率扫描信号单元的输出端传输至数据采集单元(16)，能够实时记录第一相干光源(1)的扫描频率。

4.根据权利要求2所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，所述数据采集单元(16)的输出信号为脉冲信号，取每个脉冲信号的最高点作为原子蒸汽池(8)对光场的吸收强度，记录吸收强度在跃迁频率下对应的吸收谱线。

5.根据权利要求2所述的基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量方法，其特征在于，所述原子密度的计算利用朗伯比尔定律，通过以下公式：

其中，ρ表示原子密度；

v表示激光频率；

dv表示激光频率的微分元；

L为原子蒸汽池(8)的长度；

下标v表示物理量随频率变化；

I_v(0)表示当前激光频率v下的入射光强度，是挡住第一探测器(13)，单独测量第二探测器(14)经减法器(15)后的测量得到的；

I_v(L)表示当前激光频率v下的出射光强度；

σ(v)表示原子的吸收截面。