一種精確測量中性原子速度分布的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種精確測量中性原子速度分布的方法和裝置，兩路鋸齒函數信號通過頻率調整和功率放大后，控制可掃頻激光調制器對兩路投射到待測鍶原子樣品的窄線寬探測激光進行頻率掃描，兩路窄線寬探測激光分別作為探測激光和飽和激光，完全獨立但相位相同，通過改變兩路窄線寬探測激光的頻率失諧值對不同速度的原子進行測量。本發明的原子測速精度為0.13m/s，比激光誘導熒光測速方法高出一個數量級以上。
【專利說明】一種精確測量中性原子速度分布的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于高精密激光光譜計量應用領域，具體涉及一種精細測量中性原子速度分布技術。
【背景技術】
[0002]在高分辨原子光譜、原子干涉儀、原子全息、原子重力儀等原子光學研究的實驗裝置中，都需要借助于具有速度分布很窄、發散角很小的原子束。原子速度分布作為表征原子樣品的一個重要參數，直接影響原子的能級躍遷頻率測量及原子鐘頻率誤差分析等，因此精確測量原子樣品的速度分布在原子光譜學中具有重要的意義。
[0003]目前，最常用的原子樣品測速方法是共振激光誘導熒光法，但是該方法具有測速精度不高及應用范圍窄等缺點。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術 的不足，本發明提供一種高精度的原子測速方法及裝置，利用速度選擇原子飽和信號幅度的方法，測量了鍶原子束橫向速度分布，原子測速精度為
0.13m/s,比激光誘導熒光測速方法高出一個數量級以上。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟:兩路鋸齒函數信號通過頻率調整和功率放大后，控制可掃頻激光調制器對兩路投射到待測鍶原子樣品的窄線寬探測激光進行頻率掃描，兩路窄線寬探測激光分別作為探測激光和飽和激光，完全獨立但相位相同，通過改變兩路窄線寬探測激光的頻率失諧值對不同速度的原子進行測量。
[0006]本發明還提供一種利用上述方法對鍶原子束的速度進行測量的裝置，包括兩個可掃頻激光調制器、兩個壓控晶體振蕩器、低頻函數信號發生器和光電探測器。所述的低頻函數信號發生器輸出兩路鋸齒函數信號，分別輸入到兩個獨立的壓控晶體振蕩器，壓控晶體振蕩器的輸出控制可掃頻激光調制器對兩路窄線寬探測激光進行頻率掃描，兩路窄線寬探測激光分別作為探測激光和飽和激光，完全獨立但相位相同，兩路窄線寬探測激光通過若干光學反射鏡投射到待測鍶原子樣品的原子探測區域，產生飽和凹陷熒光信號，光電探測器探測飽和凹陷熒光信號。
[0007]所述鋸齒函數信號的頻率為0.1Hz,電壓幅度為100mV。
[0008]所述兩路窄線寬探測激光進行頻率掃描的掃描范圍為20MHz。
[0009]本發明的有益效果是:本發明利用原子飽和熒光光譜原理，當兩束激光探測光和飽和光的頻率失諧量為零時，飽和凹陷信號處在原子譜線中心位置，此時對應于在激光探測方向速度為零分布的原子，飽和凹陷信號幅度的大小對應速度為零原子的數目。當兩束激光探測光和飽和光完全獨立但同相位時，探測光為負失諧-△ ω，飽和光為正失諧Λ ω時，飽和凹陷偏離多普勒譜線中心位置的負失諧處，對應于飛離探測光方向的速度Vz =Δ ω/k分布的原子，在不同激光頻率失諧處飽和凹陷的幅度對應著具有該速度分布原子的數目，這樣通過對激光頻率失諧的控制實現對被測原子速度的選擇，最終實現對原子速度分布的精細測量。相比較現在常用的激光誘導熒光測速方法，該測速方法由于探測的是窄線寬亞多普勒信號，所以其測量精度高高出一個數量級以上。本發明提供的利用該方法對鍶原子進行原子測速的裝置，測量了鍶原子束橫向速度分布，原子測速精度為0.13m/s。本發明的方法及裝置可以廣泛應用于原子干涉儀、原子全息儀、原子重力儀等實驗儀器中原子速度的測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的裝置結構示意圖；
[0011]圖2為本發明的原子速度測量結果圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施例。
[0013]本發明采取的技術方案如下:一種可精確測量中性原子速度分布的方法和裝置，包括速度選擇原子飽和信號幅度的測速方法和利用該方法對鍶原子束的速度進行測量的裝置。該測速裝置包括窄線寬探測激光、兩獨立且可掃頻激光調制器、可控壓控晶體振蕩器、待測鍶原子樣品、低頻函數信號發生器、光電探測器。
[0014]低頻函數信號發生器輸出頻率為0.1Hz電壓幅度為IOOmV的鋸齒函數信號，分別輸入到兩套可控壓控晶體振蕩器里。經過功率放大后的射頻信號輸送到激光調制器，用于對兩路激光探測光和飽和光進行頻率掃描，掃描范圍為20MHz。兩激光打入原子探測區域與鍶原子相互作用產生熒光信號，弱光光電探測器探測飽和凹陷熒光信號。改變激光頻率失諧測量激光在不同失諧頻率值時飽和凹陷的幅度，對應著具有特定原子的速度和原子數目，這樣通過對激光頻率失諧的控制實現對被測原子速度的選擇，最終實現對原子速度分布的精細測量。在鍶原子樣品中，利用該方法測量原子速度的精度為0.13m/s。
[0015]參考圖1，本發明為一種可精確測量中性原子速度分布的方法和裝置，包括速度選擇原子飽和信號幅度的測速方法和利用該方法對原子樣品速度的測量裝置。該裝置包括:函數信號發生器I，窄線寬半導體激光2，激光調制器3，壓控晶體振蕩器4，待測原子樣品5，光學反射鏡6,光電探測器7。
[0016]低頻函數信號發生器輸出頻率為0.1Hz的鋸齒函數信號，分別輸入到兩套壓控晶體振蕩器里用于控制激光調制器的頻率，用于對兩路激光的頻率掃描，掃描范圍約為20MHz。兩激光打入原子探測區域后，與鍶原子相互作用產生熒光信號，光電探測器探測飽和凹陷熒光信號。改變激光頻率失諧測量激光在不同失諧頻率值時飽和凹陷的幅度，對應著具有特定原子的速度和原子數目，這樣通過對激光頻率失諧的控制實現對被測原子速度的選擇，最終實現對原子速度分布的精細測量。在鍶原子樣品中，利用該方法測量原子速度的精度為0.13m/s，測量結果如圖2所示。比現在通常用的方法精度要高一個數量級以上。
【權利要求】
1.一種精確測量中性原子速度分布的方法，其特征在于包括下述步驟:兩路鋸齒函數信號通過頻率調整和功率放大后，控制可掃頻激光調制器對兩路投射到待測鍶原子樣品的窄線寬探測激光進行頻率掃描，兩路窄線寬探測激光分別作為探測激光和飽和激光，完全獨立但相位相同，通過改變兩路窄線寬探測激光的頻率失諧值對不同速度的原子進行測量。
2.一種實現權利要求1所述方法的精確測量中性原子速度分布的裝置，包括兩個可掃頻激光調制器、兩個壓控晶體振蕩器、低頻函數信號發生器和光電探測器，其特征在于:所述的低頻函數信號發生器輸出兩路鋸齒函數信號，分別輸入到兩個獨立的壓控晶體振蕩器，壓控晶體振蕩器的輸出控制可掃頻激光調制器對兩路窄線寬探測激光進行頻率掃描，兩路窄線寬探測激光分別作為探測激光和飽和激光，完全獨立但相位相同，兩路窄線寬探測激光通過若干光學反射鏡投射到待測鍶原子樣品的原子探測區域，產生飽和凹陷熒光信號，光電探測器探測飽和凹陷熒光信號。
3.根據權利要求1所述的精確測量中性原子速度分布的裝置，其特征在于:所述鋸齒函數信號的頻率為0.1Hz,電壓幅度為lOOmV。
4.根據權利要求1所述的精確測量中性原子速度分布的裝置，其特征在于:所述兩路窄線寬探測激光進行頻率掃描的掃描范圍為20MHz。
【文檔編號】G01N21/01GK103926227SQ201410168582
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】高峰, 許朋, 劉輝, 常宏 申請人:中國科學院國家授時中心