[发明专利]一种用于原子惯性测量的碱金属气室高功率激光加热方法

说明书

一种用于原子惯性测量的碱金属气室高功率激光加热方法，通过在通往碱金属气室的抽运光光路上设置双色镜，所述抽运光从所述双色镜的入射面透射到出射面与入射所述出射面而产生反射的加热光形成合束光，所述合束光中的加热光作用于装载所述碱金属气室的石墨件光热结构，能够避免现有的气流加热、电加热方法中所引入的振动、磁场噪声，以及克服现有的光加热方法中光路复杂、反馈效果差、功率低等缺点，特别适用于追求超高灵敏度的大科学装置。

技术领域

本发明涉及碱金属气室激光加热技术，特别是一种用于原子惯性测量的碱金属气室高功率激光加热方法，通过在通往碱金属气室的抽运光光路上设置双色镜，所述抽运光从所述双色镜的入射面透射到出射面与入射所述出射面而产生反射的加热光形成合束光，所述合束光中的加热光作用于装载所述碱金属气室的石墨件光热结构，能够避免现有的气流加热、电加热方法中所引入的振动、磁场噪声，以及克服现有的光加热方法中光路复杂、反馈效果差、功率低等缺点，特别适用于追求超高灵敏度的大科学装置。

背景技术

基于无自旋交换弛豫(SERF，spin exchange relaxation free)效应的原子自旋惯性测量有着极高的理论灵敏度，并且在近年来发展迅速，是量子精密测量领域的研究热点。其中，碱金属气室是SERF惯性测量装置的核心敏感单元，实现原子SERF态的必要条件是碱金属气室内的原子密度足够高且磁场足够低。目前有三种加热方法使得碱金属气室原子密度升高，分别是热气流加热、电加热和光加热。其中热气流加热会引入低频振动噪声且结构庞大，此种方法基本被淘汰。而在电加热中，虽然可以把加热电阻丝进行双绞绕制、对称安装以及把加热电流调制到高频来减小所引入的磁噪声，但还是残余着磁场干扰，限制了系统灵敏度的提高。对于现有的光加热方案，受限于其导热结构，加热功率较小，仅适用于小型化甚至芯片级的装置。但因为测量的量子投影噪声与其碱金属气室的体积和原子密度均负相关，所以用于追求超高灵敏度的大科学装置上的气室体积往往较大且所需温度较高，相应地需要寻求将大体积碱金属气室加热到足够高温度的加热方法。同时，现有的光加热方案中，把光能转换为热能的光热结构一般仅为双面甚至单面，这将导致碱金属气室受热不均匀，对于大体积的气室所产生的温度梯度更大，限制了惯性测量灵敏度的提高。

由于碱金属气室内的原子密度波动会引起气室光学深度和原子极化率的波动，从而导致惯性测量的灵敏度和稳定度变差，所以需要进行原子密度的稳定控制，这可以通过高精度的温控来实现。在现有的光加热方案中，一般为通过采集气室温度输入到伺服控制器与预设值比较，再反馈于加热光路中的光开关、液晶偏振器或者声光调制器等器件进行功率调节，要么温度反馈效果较差，要么功率上限较低以至于不适用于大体积的碱金属气室，同时增加了系统的复杂度和成本。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种用于原子惯性测量的碱金属气室高功率激光加热方法，通过在通往碱金属气室的抽运光光路上设置双色镜，所述抽运光从所述双色镜的入射面透射到出射面与入射所述出射面而产生反射的加热光形成合束光，所述合束光中的加热光作用于装载所述碱金属气室的石墨件光热结构，能够避免现有的气流加热、电加热方法中所引入的振动、磁场噪声，以及克服现有的光加热方法中光路复杂、反馈效果差、功率低等缺点，特别适用于追求超高灵敏度的大科学装置。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于原子惯性测量的碱金属气室高功率激光加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在通往碱金属气室的抽运光光路上设置双色镜，所述抽运光从所述双色镜的入射面透射到出射面与入射所述出射面而产生反射的加热光形成合束光；

步骤2，所述合束光中的抽运光穿过所述碱金属气室，所述合束光中的加热光作用于装载所述碱金属气室的石墨件光热结构；

步骤3，利用所述石墨件光热结构上的热电阻获得通过源测量单元伺服控制系统提供给加热光激光器的控制信号以控制所述加热光激光器的激光功率，从而形成稳定所述碱金属气室温度的闭环反馈系统。