[发明专利]一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法

说明书

本发明公开了一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法。本发明将铯原子作为增益介质，通过459nm泵浦激光，在铯原子7S_1/2态与6P_3/2态之间建立布居数反转，通过谐振腔的腔反馈，使对应铯原子7S_1/2态与6P_3/2态跃迁的自发辐射不断放大，达到激光阈值后输出1470nm主动激射信号。通过测量产生主动激射信号时泵浦激光的频率，与铯原子6S_1/2态到7P_1/2态跃迁频率的频率差，利用多普勒频移效应，可以精确计算铯原子气室的温度。本发明大大提升物理量开尔文的测量精度，所实现的温度的测量精度与激光频率的测量精度相当。本方明具有重要的应用价值，是测量物理量开尔文的新途径，并显著提高其测量精度。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法。

背景技术

1967年第13届国际计量大会将国际单位制热力学温度正式定义为：水三相点热力学温度的1/273.16，并确定其单位为开尔文。但按照该定义，对温度的绝对测量必须采用热力学温度计，虽然热力学温标在理论上是合理的，但却不现实，实现非常困难。人们只能根据当下测量仪器的精度不断提高温度的测量准确度，使其尽可能逼近热力学温度。这种测量手段持续了半个多世纪，直到2018年，第26届国际计量大会，才真正确定了以基本物理常数来定义国际单位开尔文：1开尔文为对应玻尔兹曼常数为1.380649×10^-23J·K^-1时的热力学温度。至此，从基于实物的定义改为基于定义常数的新定义，使得国际单位制开尔文实现真正进入了量子时代。

通过该方法可以将物理量开尔文的测量精度大大提升，并提高其可靠性。但是，采用此新定义实现温度测量的方法有限，且技术还不够成熟，如何利用该定义将温度的测量精度显著提升还需努力探索。

发明内容

本发明利用原子的固有跃迁频率，通过探测原子主动激射中心频率的变化，基于多普勒效应，借助麦克斯韦速度分布，可以实现热力学温度开尔文的测量，其测量精度取决于原子跃迁频率的测量精度。尤其是近年来，随着原子钟技术的不断进步，时间、频率是目前被测量的最准确的物理量，因此，本方法可以将温度的测量精度大大提升，至目前对频率的测量精度量级。

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于主动激射的量子温度计，要求其技术方案简单可靠，且能突破目前所有测量温度的方法所实现的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于主动激射的量子温度计，其包括：

泵浦激光源1，用于产生波长与铯原子从6S_1/2态到7P_1/2态跃迁频率对应的459nm的泵浦激光；

激光控制器2，用于控制泵浦激光源1的温度、电流和腔长，从而控制泵浦激光源1的输出频率，并对泵浦激光源1输出的激光频率进行扫描；

隔离器3，防止光反馈影响泵浦激光源1输出激光的频率，接收泵浦激光源1输出的激光后，将隔离后的激光输出；

半波片4和偏振分光棱镜5，用于对所述隔离器3输出的激光的反射光和透射光的功率进行调节，经过偏振分光棱镜5的透射光用作所述泵浦光，经过偏振分光棱镜5的反射光用于探测铯原子产生饱和吸收谱信号；

饱和吸收谱装置6，接收经过偏振分光棱镜5后反射的激光信号，通过原子与激光的相互作用，产生饱和吸收谱信号，作为参考频率；

第一探测器7，用于探测经过饱和吸收谱装置6的透射光，将光信号转换成电信号；