[发明专利]一种基于外差干涉的气室温度控制系统

权利要求书

1.一种基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，包括光学系统，所述光学系统使一束单色光形成经过气室的第一合束光和不经过气室的第二合束光，利用所述第一合束光与所述第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量；

所述光学系统包括产生所述单色光的激光器，所述激光器连接第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜使输入的所述单色光形成大小相同且偏振方向正交的第一束光和第二束光，所述第一束光通过第二反射镜连接第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜使所述第一束光分为第三束光和第四束光，所述第三束光连接第二激光合束镜，所述第四束光通过第三反射镜连接第一激光合束镜，所述第二束光通过调制器生成第二束调制光后连接第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜将所述第二束调制光分为第五束光和第六束光，所述第五束光通过气室和第一反射镜到达第一激光合束镜，所述第一激光合束镜将所述第五束光和所述第四束光合成所述第一合束光，所述第六束光连接所述第二激光合束镜，所述第二激光合束镜将所述第六束光和所述第三束光合成所述第二合束光。

2.根据权利要求1所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述第一合束光通过第一光电探测器连接信号处理器，所述第二合束光通过第二光电探测器连接所述信号处理器，所述信号处理器用于计算第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差，所述信号处理器分别连接温控系统和上位机。

3.根据权利要求1所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述调制器为噪声衰减器或者电光调制器或者声光调制器。

4.根据权利要求2所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述温控系统对气室温度进行PID闭环控制，PID为比例积分微分。

5.根据权利要求1所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，通过信号处理器得到的相位差信号，经过前期标定数据后，即可得到气室实时温度。

6.根据权利要求5所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，所述得到气室实时温度的方式如下：

定义第一光电探测器探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器探测到的光信号为参考信号；

激光经过调制器调制后，与未经调制的激光通过第二激光合束镜进行合束，由第二光电探测器接收到的参考信号的电矢量信号E_ref为：

E_ref＝A₁cos(k_mz-ω_mt)

k_m＝π(v₁-v₂)/c＝ω_m/c

其中A₁为第二光电探测器测量到的合束电矢量信号E_ref中的高频分量单位探测时间内的平均值，即一个直流量A₁；v₁和v₂分别为经过调制器前和经过后的光束频率；k_m为合束后的光矢量的波数；ω_m为合束后的光矢量的角频率；c为真空中的光速；

第二光电探测器探测到的参考信号的光强为I_ref(t)为一个随时间t变化的量：

其中φ_ref是初始相位为一常值，其大小由合束前两束光的光程差决定；

同理，激光经过调制器调制并穿过气室后，与未经调制的激光通过第一激光合束镜进行合束，并由第一光电探测器探测，得到的测量信号的光强大小I_meas(t)为一个随时间t变化的量：

其中A₂为第二光电探测器测量到的合束电矢量信号中的高频分量单位探测时间内的平均值，即一个直流量A₂；φ′为一初始相位，其大小由合束前两束光的光程差决定，由于有气室的存在，φ′的值并不是常值，而是随着气室的折射率n的变化而变化；

此时参考信号与测量信号为同频率信号，其相位差φ₁为：

φ₁＝φ_ref-φ′＝φ₀+2k_m(n-1)l

其中φ₀为一常数值，由除气室以外的光程大小决定，l为光路经过气室的长度，理想状态下为气室的直径。

7.根据权利要求6所述的基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，采用气室的折射率n直接由温度决定的以下式子得到原子密度即气室温度：

n＝1-K(ω)·n_atom

其中n_atom为原子密度，与温度成正比例相关关系；K(ω)为原子密度与折射率之间的比例系数；ω为经过调制器前的激光频率。