一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法。本发明专利技术将铯原子作为增益介质，通过459nm泵浦激光，在铯原子7S

【技术实现步骤摘要】
一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法


[0001]本专利技术属于激光
，具体涉及一种基于主动激射的量子温度计及其实现方法。

技术介绍

[0002]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
‑
23
J
·
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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于主动激射的量子温度计，其包括：
[0007]泵浦激光源1，用于产生波长与铯原子从6S
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态到7P
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态跃迁频率对应的459nm的泵浦激光；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]铯原子气室9，接收经过偏振分光棱镜5后透射的泵浦光，用于泵浦主动受激辐射信号(主动激射信号)的增益介质。所述铯原子气室9内充入适当的纯铯原子，该原子气室窗口镀有对459nm波长的泵浦光和1470nm波长的主动激射信号光高透的介质膜，铯原子在泵浦光的泵浦下，铯原子发生从7S
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态到6P
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态的能级跃迁，产生1470nm的主动激射信号。其外部设置加热、保温和控温的模块，使得原子气室的可以加热到200℃，且控温精度达到0.001℃；
[0014]第一谐振腔镜8和第二谐振腔镜10，组合形成谐振腔，接收经过偏振分光棱镜5的透射光，并分别镀有对459nm波长的泵浦光高透，并对1470nm波长的主动激射信号光有一定反射率的介质膜，从而将459nm泵浦光不断透过，而将泵浦铯原子后产生的1470nm荧光信号不断放大，直到形成1470nm波长的主动激射信号光，从第二谐振腔镜10输出；
[0015]反射镜11，用于接收从第二谐振腔镜10输出的1470nm波长的主动激射信号光，反射镜11为镀有对459nm波长的泵浦光高透、对1470nm波长的主动激射信号光高反的介质膜。
[0016]第二探测器12，用于探测由反射镜11反射的1470nm波长的主动激射信号光，将光信号转换成电信号；
[0017]示波器13，用于接收经过第一探测器7后的电信号，观测饱和吸收谱信号，该信号可以反映对应铯原子6S
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态到7P
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态的各个超精细能级跃迁频率，用于对泵浦光频率进行标定；同时，接收经过第二探测器12后的电信号，观测对应铯原子1470nm跃迁的主动激射信号。
[0018]其中，所述量子温度计还包括所述铯原子气室9的外部设置磁屏蔽模块，隔绝外界磁场分别对铯原子跃迁频率的影响。
[0019]其中，所述量子温度计还包括所述第一谐振腔镜8连接压电陶瓷片，通过外加电压，改变谐振腔的腔长，从而控制1470nm激光信号是否与谐振腔共振。
[0020]此外，本专利技术还提供一种基于主动激射的量子温度计的实现方法，具体包括如下步骤：
[0021]步骤S1：所述泵浦激光源1通过所述激光控制器2对其频率进行调节，调节至与铯原子6S
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态到7P
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态跃迁频率对应，并对其进行扫频，连续扫描范围达1GHz以上；
[0022]步骤S2：所述泵浦激光源1的频率调节至与铯原子6S
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态到7P
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态跃迁频率共振后，输入到所述饱和吸收谱装置6，产生饱和吸收谱信号，用于标定所述泵浦光的频率；
[0023]步骤S3：所述铯原子气室9通过温控装置控制其温度处于90摄氏度到200摄氏度之间的一个工作温度点，从而满足激光振荡所需的原子数条件；
[0024]步骤S4：所述泵浦光经所述第一谐振腔镜8透射进入所述铯原子气室9；
[0025]步骤S5：在所述铯原子气室9内，所述459nm泵浦光将铯原子从6S
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态泵浦到7P
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态，7P
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态的铯原子经过自发辐射掉落到下能级，最终建立起铯原子7S
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态与6P
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态之间的布居数反转；
[0026]步骤S6：在所述铯原子气室9的增益作用下，并在所述第一谐振腔镜8及第二谐振腔镜10的腔增强作用下，同时，在所述泵浦光功率达到合适值时，使激光增益大于损耗，达到1470nm激光阈值，实现1470nm主动激射；
[0027]步骤S7：所述第二谐振腔镜10输出对应铯原子能级跃迁的1470nm激光；
[0028]步骤S8：所述泵浦源激光频率小于对应铯原子6S
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态到7P
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态的跃迁频率时，由于所述铯原子气室9中的铯原子被加热，根据麦克斯韦速度分布，每一个温度点下原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于主动激射的量子温度计，其特征在于，包括泵浦激光源(1)，用于产生频率与原子气室(9)所充目标原子的能级间跃迁频率对应的激光；光束调节装置，用于对泵浦激光源(1)输出的激光进行功率调节并分为两束：一束用作泵浦光，一束用于探测光；饱和吸收谱装置(6)，用于接收所述探测光，通过饱和吸收谱装置内所述目标原子与所述探测光的相互作用，产生饱和吸收谱信号；第一探测器(7)，用于探测经过饱和吸收谱装置(6)输出的饱和吸收谱信号并将其转换成电信号后输入至示波器(13)；原子气室(9)，位于谐振腔内，用于接收所述泵浦光，所述目标原子与所述泵浦光相互作用产生能级跃迁，形成主动受激辐射信号光并在所述谐振腔内振荡放大后输出；第二探测器(12)，用于接收所述主动受激辐射信号光并将其转换成电信号并输入至示波器(13)；示波器(13)，用于根据第一探测器(7)输入的电信号对泵浦光频率进行标定；并计算所标定的泵浦光频率与第二探测器(12)所输入电信号对应的主动激射信号频率之间的差值；根据所述差值计算所述原子气室(9)的温度。2.根据权利要求1所述的量子温度计，其特征在于，所述光束调节装置包括半波片(4)和偏振分光棱镜(5)；其中，所述半波片(4)用于对激光功率进行调节，所述偏振分光棱镜(5)用于将调节后的激光分为两束。3.根据权利要求2所述的量子温度计，其特征在于，所述谐振腔包括第一谐振腔镜(8)和第二谐振腔镜(10)；所述第一谐振腔镜(8)用于接收经过偏振分光棱镜(5)分束输出的所述泵浦光，并分别镀有对所述泵浦光高透、对所述主动受激辐射信号光有一定反射率的介质膜。4.根据权利要求3所述的量子温度计，其特征在于，从第二谐振腔镜(10)输出的主动激射信号光经介质膜(11)反射至第二探测器(12)；其中所述介质膜(11)为对所述泵浦光高透、对所述主动受激辐射信号光高反的介质膜。5.根据权利要求1至4任一项所述的量子温度计，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景标，史田田，缪健翔，关笑蕾，张佳，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：