用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统

摘要

本发明公开了一种用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统，包括光源、中央处理器、集成滤光共振模块、光电检测单元、微波源、功率探测模块、磁场控制模块及电流控制模块。其中，集成滤光共振模块依次与光源、微波源、光电检测单元、磁场控制模块连接。中央处理器依次与光电检测单元、功率探测模块、电流控制模块连接。功率探测模块与微波源连接。电流控制模块与磁场控制模块连接。本发明通过集成滤光共振模块对光源辐射的光束进行处理，处理后的信号通过光电检测单元进行检测，并将检测结果传输至中央处理器。同时，功率探测模块对微波源输出的信号进行探测，并将探测结果传输至光电检测单元，进而通过光电检测单元反馈至微波源。

说明书

技术领域

本发明属于原子谱线检测领域技术领域，特别涉及一种用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统。 

背景技术

原子谱线检测系统中当输至量子物理部分的微波功率变化时，系统的频率也会发生变化，其大小随着具体原子谱线检测系统的结构和所用微波功率的大小不同而不同。由于集成滤光共振单元的体积较大，并且内部各部分原子所受到的磁场强度是不均匀的，内部原子基态0-0跃迁的中心频率是稍有不同的，实际上是各部分原子跃迁谱线的叠加。 

假定有这样一个模型，集成滤光共振单元中原子可以分成两部分，原子1和原子2，每一部分原子有共同的0-0跃迁中心频率，但这两部分原子由于受磁场强度不同，其中心频率也稍有不同，它们各有自己的跃迁谱线101和201，如图1所示，实际上观察到的共振谱线是谱线101和201的叠加，如图1中曲线301，叠加后的谱线中心频率不但依赖于谱线101和201本身的中心频率，而且还依赖于谱线101和201的相对强度。当输至量子物理部分的的微波功率变化时，谱线101和201相对变化量就不一致（如图1中曲线102、曲线202所示），因而叠加后的谱线中心频率就会发生变化，如图1中曲线302，造成微波功率频移。 

微波功率频移会影响原子谱线检测精度。而且微波功率愈大，这种变化率也愈大；显然，要减小微波功率频移，提高原子谱线检测的 精度，最简单的办法是减小所用的微波功率。但是减小微波功率会使共振信号的信噪比下降，不利于原子谱线检测系统的信噪比提高。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统，且具有结构简单、易操作的特点。 

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统，包括光源、中央处理器、用于对所述光源辐射的光束进行处理的集成滤光共振模块、用于对所述集成滤光共振模块传输的光信号进行检测的光电检测单元、用于对所述集成滤光共振模块提供能源信号的微波源、用于对所述微波源输出功率值进行探测的功率探测模块、用于控制系统磁场强度的磁场控制模块及用于对所述磁场控制模块进行调节控制的电流控制模块；所述集成滤光共振模块依次与所述光源、所述微波源、所述光电检测单元、所述磁场控制模块连接；所述中央处理器依次与所述光电检测单元、功率探测模块、电流控制模块连接；所述功率探测模块与所述微波源连接；所述电流控制模块与所述磁场控制模块连接。 

进一步地，所述集成滤光共振模块包括：用于对所述光源辐射的光束进行滤光、共振的滤光共振单元、谐振腔；所述滤光共振单元呈泡状结构，并置于与所述谐振腔内。 

进一步地，所述滤光共振单元中工作物质由A元素及其同位素组成，所述光源用于辐射光束的元素是所述A元素。 

进一步地，所述滤光共振单元内部呈真空状态，用于减小微波功 率频移。 

进一步地，所述微波源微波频率设置在所述A元素原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率附近；所述微波源通过所述中央处理器对其进行频率调节控制，用于完成对整个原子谱线的扫频；所述微波源输出的信号一部分传输至所述集成滤光共振模块，一部分传输至所述功率探测模块。 

进一步地，所述功率探测模块对所述微波源输出的信号进行检测，并将检测结果传输至所述中央处理器，所述中央处理器再将所述检测结果反馈至所述微波源，进而控制所述微波源输出信号的稳定。 

进一步地，所述光电检测单元是由至少一个光电池组成的对所述集成滤光共振模块处理后的光信号进行检测的检测系统，并通过所述检测系统将检测结果传输至所述中央处理器。 

进一步的，所述电流控制模块通过所述中央处理器控制其输出电流强度；所述磁场控制模块通过所述电流控制模块控制其磁场强度，进而提供完成所述集成滤光共振模块中原子分裂及量子化轴所需要的磁场。 

进一步地，所述磁场控制模块包括漆包线；所述漆包线缠绕在所述谐振腔外壁上。 

进一步地，所述A元素是⁸⁷Rb，所述A元素同位素是⁸⁵Rb。 

本发明提供的一种用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统，通过集成滤光共振模块对光源辐射的光束进行处理，处理后的信号通过光电检测单元进行检测，并将检测结果传输至中央处理器。同时，微波源输出的信号一部分传输至集成滤光共振模块，另一部分 传输至功率探测模块，并通过功率探测模块对其功率值进行探测，并将探测结果传输至光电检测单元，然后通过光电检测单元反馈至微波源，进而控制微波源输出信号的稳定。本发明具有结构简单、易操作、测量精度高的特点。 

附图说明

图1为现有技术中微波功率平移现象原理结构示意图。 

图2为本发明实施例提供的一种用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统原理结构示意图。 

图3为本发明 实施例提供的一种用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统测量过程中所测得的磁场强度、中心频率、微波功率三者的数值关系曲线。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式作进一步详细说明。 

参见图2，本发明实施例提供的一种用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统，包括：光源401、中央处理器407、用于对光源401辐射的光束进行处理的集成滤光共振模块402、用于对集成滤光共振模块402传输的光信号进行检测的光电检测单元406、用于对集成滤光共振模块402提供能源信号的微波源403、用于对微波源403输出功率值进行探测的功率探测模块405、用于控制系统磁场强度的磁场控制模块404及用于对磁场控制模块404进行调节控制的电流控制模块408。其中，集成滤光共振模块402依次与光源401、微 波源403、光电检测单元406、磁场控制模块404连接。中央处理器407依次与光电检测单元406、功率探测模块405、电流控制模块408连接。功率探测模块405与微波源403连接；电流控制模块408与磁场控制模块404连接。 

本实施例中，集成滤光共振模块402包括：用于对光源401辐射的光束进行滤光、共振的滤光共振单元、谐振腔。优选的，滤光共振单元呈泡状结构，并置于与所述谐振腔内。滤光共振单元中工作物质由A元素及其同位素组成，光源401用于辐射光束的元素也是A元素。优选的，A元素是⁸⁷Rb，A元素同位素是⁸⁵Rb。同时，为了减小微波功率频移，在滤光共振单元中并未充入任何缓冲气体。 

本实施例中，微波源403微波频率设置在上述A元素原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率附近，并通过中央处理器407对其进行频率调节控制，用于完成对整个原子谱线的扫频。同时，微波源403输出的信号一部分是传输至集成滤光共振模块402，另一部分传输至功率探测模块405。功率探测模块405将所探测到的微波源403输出功率值传输至中央处理器407，中央处理器407再将检测结果反馈至所述微波源403，进而调节控制微波源407输出功率信号的稳定。 

本实施例中，光电检测单元406是由至少一个光电池组成的对集成滤光共振模块402处理后的光信号进行检测的检测系统，并将检测结果传输至中央处理器407，进而通过传统技术获得原子谱线的中心频率值。 

同时，中央处理器407还对电流控制模块408输出的电流强度进 行控制；进而控制磁场控制模块404磁场强度，最终提供集成滤光共振模块402中完成原子分裂及量子化轴所需要的磁场。优选的，磁场控制模块404包括漆包线。其中，漆包线缠绕在谐振腔圆柱形外壁上。 

在实际应用过程中，首先通过中央处理器407对电流控制模块408输出的电流强度进行控制调节，获得至少三个不同电流值I1、I2、I3（选择一定范围内电流值越多，将越有利于本实施例的实施），由于磁场控制模块404是由漆包线缠绕在圆柱型谐振腔所构成的磁场结构，电流控制模块408又与磁场控制模块404连接，所以电流控制模块408通过中央处理器407调节控制所产生的电流强度变化直接影响了磁场控制模块404所产生的磁场强度，因此，通过上述变化规律可建立磁场强度C（C1、C2、C3）与电流大小I（I1、I2、I3）之间的数值关系。 

然后按照如下操作步骤，找出在微波功率值P变化的情况下，不会对系统中原子谱线中心频率产生影响的磁场强度。 

步骤①：中央处理器407先控制微波源403输出一个功率值P1，同时调节电流控制模块408输出电流大小，进而作用于磁场控制模块404，获得一个磁场强度数值C1，此时中央处理器407在原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率附近，调节控制微波源403输出微波频率大小进行扫频。同时，通过与集成滤光共振模块202连接的光电探测单元406获得相应的光检信号，然后按照传统技术获得对应的原子谱线的中心频率值f11。 

步骤②:保证功率值P1不变，顺序改变磁场大小为C2、C3值， 按照步骤S1操作方法获得对应的原子谱线中心频率值f12、f13。进而获得一组在微波功率为P1值时的系统磁场强度C与中心频率f的变化关系。 

步骤③：顺序改变微波功率值为P2、P3，按照步骤S1与步骤S2操作方法获得多组系统磁场强度C与中心频率f的变化关系。 

步骤④：将上述P1、C1、f11的数值关系，P2、C2、f12的数值关系，P3、C3、f13的数值关系绘制成如图3所示关系曲线。 

从图3中，可以确定一个磁场强度C0，在该值上，微波功率值P1、P2、P3的变化将不会对系统中心频率产生影响。因此，磁场强度C0，即为减小微波功率频移的磁场强度值。 

本发明提供的一种用于改善原子谱线探测过程中微波功率频移的系统，通过集成滤光共振模块对光源辐射的光束进行处理，处理后的信号通过光电检测单元进行检测，并将检测结果传输至中央处理器。同时，微波源输出的信号一部分传输至集成滤光共振模块，另一部分传输至功率探测模块，并通过功率探测模块对其功率值进行探测，并将探测结果传输至光电检测单元，然后通过光电检测单元反馈至微波源，进而控制微波源输出信号的稳定。本发明具有结构简单、易操作、测量精度高的特点。 

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。