本发明专利技术公开了透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法。本发明专利技术装置包括碱金属气室，其内部充满碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；光路系统，提供用于极化碱金属原子至SERF态和检测气室内部温度的激光，包括激光器、λ/2波片、PBS、准直器等；无磁电加热系统，对碱金属气室进行加热，并且不引入磁场噪声；磁补偿系统，补偿磁屏蔽桶内的剩磁，信号检测处理系统，用于检测和处理透过气室的光信号；闭环控制系统，控制气室内部温度。本发明专利技术方法简单方便，可以快速控制气室内部温度，不引入磁场噪声，对提升原子磁强计性能有重要影响，适用于小型化、集成化的阵列式原子磁强计。集成化的阵列式原子磁强计。集成化的阵列式原子磁强计。
【技术实现步骤摘要】
透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法
[0001]本专利技术属于量子精密测量领域，具体涉及一种透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法。
技术介绍
[0002]碱金属原子气室是原子磁强计、原子陀螺仪等量子测量装置敏感核心部件，气室的温度直接影响到测量装置的灵敏度。为了保证碱金属原子的高密度和高极化率，需要原子气室内部温度稳定，具有一定的抗干扰能力。
[0003]目前碱金属气室的温度测量是基于pt1000铂电阻测温法实现的(pt1000是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比，pt 1000的阻值与温度变化关系为：当温度为0℃时pt 1000的阻值为1000欧姆)。铂电阻是一种接触式测温方法，将铂电阻贴于气室壁的一端，通过测量电阻值从而间接计算测量温度，可搭配高分辨率的AD采样模块实现mK量级的测温分辨率(AD采样模块，AD，Analog to Digital，模拟转数字)。但是这种方法需要给铂电阻施加一个恒流源激励电流从而引入磁场噪声，并且无法真实反映气室内部的温度，从而影响碱金属原子的极化率，进而影响量子测量装置的性能。光纤光栅法可以测量碱金属气室内部的温度，但是需要配备相应的解调仪，不适用于阵列式原子磁强计。常规的光吸收测温方法需要在不同温度下不断改变入射光频率计算光学深度，通过拟合洛伦兹线性函数得到气室内部温度，对于阵列式原子磁强计探头，测量精度取决于拟合的准确度，误差较大，并且不同探头、不同剩磁环境、不同外界条件下的拟合曲线不相同，每次工作时都要进行重新拟合，难以应用于阵列式集成化的原子磁强计碱金属气室中。因此，需要提出一种新的阵列式原子磁强计碱金属气室温度控制装置与方法，测量气室内部的温度、避免引入磁场干扰。
技术实现思路
[0004]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，解决传统铂电阻测温法无法测量碱金属气室内部温度并引入磁场干扰的问题，常规光吸收法操作复杂、测量精度低等问题，提供一种透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法，适用于阵列式原子磁强计碱金属气室内部温度控制，适用于小型化、集成化等应用场景。
[0005]本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置，其特征在于，包括：
[0007]碱金属气室，所述碱金属气室内部充填有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；
[0008]光路系统，用于提供极化碱金属原子至SERF态的激光以检测碱金属气室内部温度；
[0009]无磁电加热系统，用于改变加热功率从而改变碱金属气室温度；
[0010]磁补偿系统，用于补偿磁屏蔽桶内的剩磁，使磁强计工作在近零磁环境；
[0011]信号检测处理系统，用于检测和处理透过碱金属气室的光信号，该光信号能表征碱金属气室内部的温度；
[0012]闭环控制系统，用于控制碱金属气室内部温度，以出射光电流值作为反馈温度，实现温度的闭环PID控制。
[0013]所述光信号与碱金属气室内部温度的关系式如下：
[0014][0015][0016]其中I(z)是出射光强，I(0)是入射光强，Rrel为横向弛豫率，在磁场接近于零时，R
rel
逐渐减小并趋向于一个定值，σ(v)是光子吸收截面积，是关于频率的函数，由共振频率v0附近的原子频率响应决定，σ(v)在谐振频率点为常数，n为碱金属原子密度，T是碱金属气室内部温度，A＝4.402，B＝4453，W是Lamber
‑
W函数，z是纵轴坐标。
[0017]所述光路系统包括沿光路依次布置的激光器、λ/2波片、偏振分光棱镜PBS、和准直器，所述激光器用于发射初始激光，偏振分光棱镜PBS用于将入射激光分为两束，准直器用于入射激光的准直整形，之后进入碱金属气室，所述碱金属气室的出射光进入所述信号检测处理系统中的光电转换器，所述偏振分光棱镜PBS的反射侧通过光纤耦合器连接波长计，所述碱金属气室位于所述磁补偿系统的磁补偿线圈中，所述磁补偿线圈与所述碱金属气室之间设置有所述无磁电加热系统的加热膜。
[0018]所述无磁电加热系统通过高频调制的方法，改变加热膜两端的电压从而改变温度，其间不引入磁场噪声。
[0019]所述光电转换器依次通过跨阻放大器和模数转换器连接可编程电路，所述光电转换器将光信号转化为电信号，通过跨阻放大器将其放大为光电流信号，再通过模数转换器转化为数字信号，所述数字信号经过可编程电路处理后将其传给上位机。
[0020]透射光吸收阵列式原子磁强计碱金属气室温度控制方法，其特征在于，采用上述透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置。
[0021]包括以下步骤：
[0022]步骤1，给定一个入射光强，利用加热膜将碱金属气室温度加热至目标温度，待温度稳定后进行磁补偿，读取此时的出射光电流值，目标温度的范围为工作温度
±
10℃，在目标温度范围以每间隔1℃的方式获取出射光电流值，所述工作温度为120℃～150℃；
[0023]步骤2，对采集得到的出射光电流值，获得不同温度下温度与出射光电流的函数曲线；
[0024]步骤3，基于透射光吸收原理，建立碱金属气室温度与透射光电流之间的关系。
[0025]所述步骤1中包括：磁强计使用时先给铂电阻施加一定的激励电流，采用铂电阻测温法，通过无磁电加热膜将阵列式原子磁强计碱金属气室加热至工作温度；
[0026]待温度稳定后，点击上位机下发磁补偿命令，补偿系统的剩磁，使阵列式磁强计处于近零磁状态；
[0027]断开铂电阻两端的激励电流，将透射光电流信号I作为气室内温度的敏感信号，进行温度测量，将参考光电流值与实测光电流值共同传入上位机，并采用PID控制算法，实现基于透射光吸收的阵列式原子磁强计碱金属气室温度控制。
[0028]所述步骤3中，碱金属原子D1线跃迁时激光强度I的降低符合公式：
[0029][0030]其中z是纵轴坐标，σ(v)光子吸收截面积，是关于频率的函数，由共振频率v0附近的原子频率响应决定，n为碱金属原子密度，s是偏振光类型参数，Sz是碱金属原子沿抽运光方向的极化率，范围是
‑
1/2～1/2。
[0031]所述步骤3中，σ(v)在压力展宽Γ
L
占主导的情况下，在谐振频率点的σ
L
(v
.
)为常数：
[0032][0033]其中r
e
为电子电磁半径，c为真空光速，f
res
为谐振强度。
[0034]所述步骤3中，碱金属原子密度n符合饱和蒸汽压公式，对某一碱金属原子，A、B为定值，n只与温度T有关：
[0035][0036]所述步骤3中，其透射光为圆偏振光，s＝1，此时吸收方程的解为超越方程，通过Lamber
‑
W函数表示如下：
[0037][0038]其中，I(z)为出射光强，I(0)为入射光强，R
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置，其特征在于，包括：碱金属气室，所述碱金属气室内部充填有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；光路系统，用于提供极化碱金属原子至SERF态的激光以检测碱金属气室内部温度；无磁电加热系统，用于改变加热功率从而改变碱金属气室温度；磁补偿系统，用于补偿磁屏蔽桶内的剩磁，使磁强计工作在近零磁环境；信号检测处理系统，用于检测和处理透过碱金属气室的光信号，该光信号能表征碱金属气室内部的温度；闭环控制系统，用于控制碱金属气室内部温度，以出射光电流值作为反馈温度，实现温度的闭环PID控制。2.根据权利要求1所述的透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置，其特征在于，所述光信号与碱金属气室内部温度的关系式如下：于，所述光信号与碱金属气室内部温度的关系式如下：其中I(z)是出射光强，I(0)是入射光强，Rrel为横向弛豫率，在磁场接近于零时，R
rel
逐渐减小并趋向于一个定值，σ(v)是光子吸收截面积，是关于频率的函数，由共振频率v0附近的原子频率响应决定，σ(v)在谐振频率点为常数，n为碱金属原子密度，T是碱金属气室内部温度，A＝4.402，B＝4453，W是Lamber
‑
W函数，z是纵轴坐标。3.根据权利要求1所述的透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置，其特征在于，所述光路系统包括沿光路依次布置的激光器、λ/2波片、偏振分光棱镜PBS、和准直器，所述激光器用于发射初始激光，偏振分光棱镜PBS用于将入射激光分为两束，准直器用于入射激光的准直整形，之后进入碱金属气室，所述碱金属气室的出射光进入所述信号检测处理系统中的光电转换器，所述偏振分光棱镜PBS的反射侧通过光纤耦合器连接波长计，所述碱金属气室位于所述磁补偿系统的磁补偿线圈中，所述磁补偿线圈与所述碱金属气室之间设置有所述无磁电加热系统的加热膜。4.根据权利要求1所述的透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置，其特征在于，所述无磁电加热系统通过高频调制的方法，改变加热膜两端的电压从而改变温度，其间不引入磁场噪声。5.根据权利要求1所述的透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置，其特征在于，所述光电转换器依次通过跨阻放大器和模数转换器连接可编程电路，所述光电转换器将光信号转化为电信号，通过跨阻放大器将其放大为光电流信号，再通过模数转换器转化为数字信号，所述数字信号经过可编程电路处理后将其传给上位机。6.透射光吸收阵列式原子磁强计碱金属气室温度控制方法，其特征在于，采用上述透射光吸收阵列式原子磁强计气...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋欣达，甘羽杉，韩邦成，索宇辰，陈宝栋，吴震东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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