原子跃迁数因子测量装置和方法

摘要

本发明公开了一种原子跃迁数因子测量装置和方法，属于原子频标领域。所述装置包括：发射模块，用于提供原子束；第一选态模块，用于采用磁偏转技术对原子束中的原子进行选态；共振吸收模块，用于利用原子束中的原子的同位素原子，吸收经过选态后的原子束中的原子；检测模块，用于检测经过共振吸收模块后原子束的电流值，当共振吸收模块未受磁场和射频信号作用时，电流值为第一电流值，当共振吸收模块受磁场和射频信号作用时，电流值为第二电流值；处理模块，用于根据第一电流值和第二电流值计算原子跃迁数因子；从而实现了对共振跃迁过程中，原子对抽运物质的吸收率的检测。

说明书

技术领域

本发明涉及原子跃迁领域，特别涉及一种原子跃迁数因子测量装置和方法。 背景技术

原子跃迁是指，在外界作用下，原子从一个状态到另一个状态发生跳跃式 变化的过程，原子跃迁发生之前的状态称为初态，跃迁发生之后的状态称为末 态。

用于实现原子跃迁的跃迁装置主要包括：光源、谐振腔及射频源。在磁场 作用下，谐振腔中原子样品的超精细结构中的各能级发生塞曼分裂，形成塞曼 子能级，在光源产生的抽运光的照射下，各个子能级之间粒子布居数差增大。 这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场的方向，加上由射频源产生的射频频率， 当满足磁共振条件时，原子的塞曼子能级之间产生共振跃迁。跃迁装置在原子 频标领域具有广泛应用，如被动型铷原子频标的物理单元。

在上述共振跃迁过程中，谐振腔中原子对抽运物质（抽运光）的吸收率， 直接反映了跃迁装置的性能，因此如何测量谐振腔中原子对抽运物质的吸收率 就十分重要。

发明内容

为了测量共振跃迁过程中，谐振腔中原子对抽运物质的吸收率，本发明实 施例提供了一种原子跃迁数因子测量装置和方法。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种原子跃迁数因子测量装置，所述装置包 括：

发射模块，用于提供原子束；

第一选态模块，用于采用磁偏转技术对所述原子束中的原子进行选态；

共振吸收模块，用于利用所述原子束中的原子的同位素原子，吸收经过选 态后的所述原子束中的原子；

检测模块，用于检测经过所述共振吸收模块后所述原子束的电流值，当所 述共振吸收模块未受磁场和射频信号作用时，所述电流值为第一电流值，当所 述共振吸收模块受所述磁场和所述射频信号作用时，所述电流值为第二电流值；

处理模块，用于根据所述第一电流值和所述第二电流值计算原子跃迁数因 子，所述原子跃迁数因子用于表示在共振跃迁过程中，所述原子束中处于低能 级的原子被吸收掉的部分所占的比例；

所述第一选态模块、所述共振吸收模块、所述检测模块依次设于所述发射 模块提供的所述原子束的前进路径上，所述处理模块与所述检测模块电连接。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述发射模块包括：带准直小孔的密 闭气室和用于对所述密闭气室加压的压力设备。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述共振吸收模块包括：装有所述 原子束中的原子的同位素原子的谐振腔。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述检测模块包括：检流计。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括：

第二选态模块，用于采用磁偏转技术对经过所述共振吸收模块后的所述原 子束中的原子进行选态；

所述第二选态模块设于所述原子束的前进路径上，且所述第二选态模块设 于所述共振吸收模块和所述检测模块之间。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一选态模块和所述第二选态 模块分别包括：磁偏转仪，所述磁偏转仪设于所述原子束的前进路径上。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述装置还包括：

相干辐射源，用于间隔地产生满足玻尔条件的电磁波频率信号作用于所述 共振吸收模块。

另一方面，一种原子跃迁数因子测量方法，所述方法包括：

提供原子束；

采用磁偏转技术对所述原子束中的原子进行选态；

检测经过选态后所述原子束的电流值，得到第一电流值；

利用所述原子束中的原子的同位素原子，吸收经过选态后所述原子束中的 原子；

检测经过吸收后所述原子束的电流值，得到第二电流值；

根据所述第一电流值和所述第二电流值计算原子跃迁数因子，所述原子跃 迁数因子是指所述原子束中处于低能级的原子在共振跃迁过程中，被吸收掉的 比例。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述根据所述第一电流值和所述第二 电流值计算原子跃迁数因子，包括：

根据以下方式计算所述原子跃迁数因子：原子跃迁数因子=第二电流值÷第 一电流值。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述方法还包括：

在所述利用所述原子束中的原子的同位素原子，吸收经过选态后所述原子 束中的原子时，间隔地产生满足玻尔条件的电磁波频率信号作用于所述同位素 原子。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过先采用磁偏转技术对原子束中的原子进行选态，并检测选态后原子束 的电流值（即未受磁场和射频信号作用时，经过共振吸收模块后原子束的电流 值），得到第一电流值；再利用原子束中的原子的同位素原子，吸收经过选态后 原子束中的原子，并检测经过吸收后原子束的电流值（即受磁场和射频信号作 用时，经过共振吸收模块后原子束的电流值），得到第二电流值；根据第一电流 值和第二电流值计算原子跃迁数因子，原子跃迁数因子用于表示在共振跃迁过 程中，原子束中处于低能级的原子被吸收掉部分所占的比例，实现了对共振跃 迁过程中，原子对抽运物质的吸收率的检测，过程简便，装置简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的原子跃迁数因子测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的磁偏转技术原子束选态的示意图；

图3是本发明实施例一提供的原子束经过跃迁区的示意图；

图4是本发明实施例一提供的满足玻尔条件的电磁波频率信号的示意图；

图5是本发明实施例二提供的原子跃迁数因子测量方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种原子跃迁数因子测量装置，参见图1，装置包括：

发射模块101，用于提供原子束；

第一选态模块102，用于采用磁偏转技术对原子束中的原子进行选态；

共振吸收模块103，用于利用上述原子束中的原子的同位素原子，吸收经过 选态后的原子束中的原子；

检测模块104，用于检测经过共振吸收模块103后原子束的电流值，当共振 吸收模块103未受磁场和射频信号作用时，电流值为第一电流值，当共振吸收 模块103受磁场和射频信号作用时，电流值为第二电流值；

处理模块105，用于根据第一电流值和第二电流值计算原子跃迁数因子，原 子跃迁数因子用于表示在共振跃迁过程中，原子束中处于低能级的原子被吸收 掉的部分所占的比例；

第一选态模块102、共振吸收模块103、检测模块104依次设于发射模块101 提供的原子束的前进路径上，处理模块105与检测模块104电连接。

优选地，发射模块101包括带准直小孔的密闭气室和用于对密闭气室加压 的压力设备。压力设备通过对该密闭气室加压，即可完成原子束的发射，从而 提供原子束。

其中，上述选态可以是指去除原子束中包含的处于基态两种能级中的高能 级原子，由于原子束中基态高能级和低能级原子经过磁场时，受到的力不同， 因此使用磁偏转技术可以除掉高能级的原子。如图2，以铷原子为例，通过磁偏 转，将F=2能级的原子除去。

其中，共振吸收模块103包括：装有原子束中的原子的同位素原子的谐振 腔。

进一步地，上述检测模块104包括但不限于检流计。

进一步地，该装置还包括：第二选态模块，用于采用磁偏转技术对经过共 振吸收模块103后的原子束中的原子进行选态，第二选态模块设于原子束的前 进路径上，且第二选态模块设于共振吸收模块和检测模块之间。原子束通过两 次选态，使得选态后的原子束更纯，测量结果更准确。

第一选态模块102和第二选态模块分别包括：磁偏转仪，磁偏转仪设于原 子束的前进路径上。

进一步地，处理模块用于，根据以下方式计算原子跃迁数因子：原子跃迁 数因子=第二电流值÷第一电流值。

如图3所示，跃迁区（谐振腔）中设有原子束中原子的同位素原子。以铷 原子为例，选态后的原子束基本只剩下F=1态的原子，进入跃迁区时，若此时 满足跃迁条件，那么跃迁区中的同位素原子吸收经选态后的原子束中的F=1态 原子，发生共振，使原子束中F=1原子数减少。

进一步地，装置还包括：

相干辐射源106，用于间隔地产生满足玻尔条件的电磁波频率信号作用于共 振吸收模块103。由于跃迁区的长度，以及选态后的原子束经过跃迁区的时间限 制，可能使上述共振吸收不彻底，不利于后续跃迁数因子的测量，故加入了辐 射源。辐射源以一定时间间隔△t间隔输出满足玻尔条件的电磁波频率信号f（如 图4所示）作用于跃迁区，如图3所示，这样可以延长跃迁区共振吸收时间， 有利于提高原子跃迁数因子的测量精度，跃迁区的长度也可以做得很短，避免 了传统技术上的为了延长原子跃迁的时间而延长跃迁区长度。

本发明实施例通过先采用磁偏转技术对原子束中的原子进行选态，并检测 选态后原子束的电流值（即未受磁场和射频信号作用时，经过共振吸收模块后 原子束的电流值），得到第一电流值；再利用原子束中的原子的同位素原子，吸 收经过选态后原子束中的原子，并检测经过吸收后原子束的电流值（即受磁场 和射频信号作用时，经过共振吸收模块后原子束的电流值），得到第二电流值； 根据第一电流值和第二电流值计算原子跃迁数因子，原子跃迁数因子用于表示 在共振跃迁过程中，原子束中处于低能级的原子被吸收掉部分所占的比例，实 现了对共振跃迁过程中，原子对抽运物质的吸收率的检测，过程简便，装置简 单。

实施例二

本发明实施例提供了一种原子跃迁数因子测量方法，参见图5，方法包括：

步骤201：提供原子束。

步骤202：采用磁偏转技术对原子束中的原子进行选态。

具体地，上述选态是指去除原子束中包含的处于基态两种能级中的高能级 原子，由于原子束中基态高能级和低能级原子经过磁场时，受到的力不同，因 此使用磁偏转技术可以除掉高能级的原子。如图2，以铷原子为例，通过磁偏转， 将F=2能级的原子除去。

步骤203：检测经过选态后原子束的电流值，得到第一电流值。

步骤204：利用上述原子束中的原子的同位素原子，吸收经过选态后的原子 束中的原子。

如图3所示，跃迁区（谐振腔）中设有与原子束的同位素原子。以铷原子 为例，选态后的原子束基本只剩下F=1态的原子，进入跃迁区时，若此时满足 跃迁条件，跃迁区中的同位素原子吸收经选态后的原子束中的F=1态原子，发 生共振，使原子束中F=1原子数减少。

进一步地，该方法还包括：在利用原子束中的原子的同位素原子，吸收经 过选态后原子束中的原子时，间隔地产生满足玻尔条件的电磁波频率信号作用 于该同位素原子。

由于跃迁区的长度，以及选态后的原子束经过跃迁区的时间限制，可能使 上述共振吸收不彻底，不利于后续跃迁数因子的测量，故加入了辐射源。辐射 源以一定时间间隔△t间隔输出满足玻尔条件的电磁波频率信号f（如图4所示） 作用于跃迁区，如图3，这样可以延长跃迁区共振吸收时间，有利于提高原子跃 迁数因子的测量精度，跃迁区的长度也可以做得很短，避免了传统技术上的为 了延长原子跃迁的时间而延长跃迁区长度。

步骤205：检测经过吸收后原子束的电流值，得到第二电流值。

步骤206：根据第一电流值和第二电流值计算原子跃迁数因子，原子跃迁数 因子用于表示在共振跃迁过程中，原子束中处于低能级的原子被吸收掉的部分 所占的比例。

优选地，步骤206，包括：

根据以下方式计算原子跃迁数因子：原子跃迁数因子=第二电流值÷第一电 流值。

本发明实施例通过先采用磁偏转技术对原子束中的原子进行选态，并检测 选态后原子束的电流值（即未受磁场和射频信号作用时，经过共振吸收模块后 原子束的电流值），得到第一电流值；再利用原子束中的原子的同位素原子，吸 收经过选态后原子束中的原子，并检测经过吸收后原子束的电流值（即受磁场 和射频信号作用时，经过共振吸收模块后原子束的电流值），得到第二电流值； 根据第一电流值和第二电流值计算原子跃迁数因子，原子跃迁数因子用于表示 在共振跃迁过程中，原子束中处于低能级的原子被吸收掉部分所占的比例，实 现了对共振跃迁过程中，原子对抽运物质的吸收率的检测，过程简便，装置简 单。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。