基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置及方法，该原子气体浓度检测装置包括准直激光器(1)、格兰泰勒棱镜(2)、反射镜(3)、消偏振分光棱镜(4)、样品台(5)、傅里叶透镜(6)、检偏器(7)、探测器(8)和计算机(9)；准直激光器(1)、格兰泰勒棱镜(2)和反射镜(3)沿横向方向依次设置于同一条直线上；反射镜(3)和消偏振分光棱镜(4)沿纵向方向设置于同一条直线上；样品台(5)设置于消偏振分光棱镜(4)的一侧，在消偏振分光棱镜(4)的另一侧依次设置傅里叶透镜(6)、检偏器(7)和探测器(8)；探测器(8)通过数据线与计算机(9)电连接；探测器(8)设置于傅里叶透镜(6)的焦面上。所述原子气体浓度检测装置及方法能够实现原子气体封闭汽室内的原子浓度的无损检测。

说明书

技术领域

本发明涉及原子气体检测技术领域，特别涉及一种基于光学相干背散射效 应的原子气体浓度检测装置及方法。

背景技术

原子气体是当今科学研究和工业生产中最为基础且最为重要的一类基本 物质，在凝聚态物理、光电子技术、时频计量等多个领域都具有不可替代的巨 大作用。原子气体最重要的应用之一就是用作原子频标中物理部分的工作物 质。

原子频标是基于原子能级跃迁的一种时频计量技术，是目前最为精确的时 频计量基准。现今，在原子频标物理部分工作物质中应用最广泛的就是基于氢、 铷、铯等原子气体。在实际生产过程中，原子气体被密封于一个透明气泡中。 作为原子频标中产生固定频率的核心部分，原子气体具有十分关键的地位。气 泡中原子气体浓度的变化将对原子频标的稳定度、准确度等关键参数产生显著 影响，浓度过高可能导致频谱展宽，而浓度过低则可能导致信号强度过弱，所 以对封装好的原子气体浓度特性进行有效的无损检测并掌握其浓度特性对于 原子频标的高性能工作有巨大帮助。但是由于气泡的密闭性，现有技术中还没 有很好的技术手段对原子气体的浓度进行非破坏性检测。

光学相干背散射效应是一种基于散射介质中背向散射光相干行为的光学 效应。当一束平行光入射到一个散射系统中时，光波在多重散射的作用下可以 形成散射回路，经过多次统计平均测量可以在光束传输方向的背向观测到一个 光强极大值。由于这个光强极大值的产生源于多重散射波的相干效应，因此该 现象被称为相干背散射，而背向的光强极大值为相干背散射核。通过对背散射 核的拟合分析可以得到散射体系中散射体的粒子数密度、有效折射率、表面反 射率等多个重要特征参数。考虑到原子气体弥散在气泡当中，是一个典型的散 射体系，因此其同样具有相干背散射效应。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于光学相干背 散射效应的原子气体浓度检测装置。

本发明的目的之二是针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于光学相干背 散射效应的原子气体浓度检测方法。

本发明提供的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置包括：

准直激光器，用于向格兰泰勒棱镜输出准直激光束；

格兰泰勒棱镜，用于将来自准直激光器的准直激光束转换为线偏振准直激 光束；

反射镜，用于改变来自格兰泰勒棱镜的线偏振准直激光束的传输方向并使 其向消偏振分光棱镜传输；

消偏振分光棱镜，用于改变来自反射镜的线偏振准直激光束的传输方向并 使其向置于样品台上的原子气泡传输，还用于透射来自原子气泡的背向散射 光；

样品台，用于放置原子气泡；

傅里叶透镜，用于将背向散射光会聚于其焦平面上即探测器所在位置处；

检偏器，用于检验来自傅里叶透镜的背向散射光是否为偏振光，以提高信 噪比；

探测器，用于通过二维扫描的方式获得来自检偏器的背向散射光强度分布 的数据并将该数据发送至计算机；以及

计算机，用于对来自探测器的背向散射光强度分布的数据进行保存、曲线 拟合和计算得到原子气泡内的原子气体的浓度；

所述准直激光器、所述格兰泰勒棱镜和所述反射镜沿横向方向依次设置于 同一条直线上；所述反射镜和所述消偏振分光棱镜沿纵向方向设置于同一条直 线上；所述样品台设置于所述消偏振分光棱镜的一侧，在所述消偏振分光棱镜 的另一侧沿远离所述样品台的方向依次设置所述傅里叶透镜、所述检偏器和所 述探测器，且所述样品台、所述消偏振分光棱镜、所述傅里叶透镜、所述检偏 器和所述探测器沿横向方向位于同一条直线上；所述探测器通过数据线与所述 计算机电连接；

所述探测器设置于所述傅里叶透镜的焦面上；

所述检偏器的偏振方向与所述格兰泰勒棱镜的偏振方向一致。

优选地，所述准直激光器的工作波长为600-800nm。

优选地，所述准直激光器输出的准直激光束的发散角小于10-4rad。

优选地，所述准直激光器的输出方式为连续输出或脉冲输出。

优选地，所述样品台与射向原子气泡的线偏振准直激光束之间的夹角为15 °至45°。

优选地，所述傅里叶透镜的焦距为200-400mm。

本发明提供的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测方法采用所 述的原子气体浓度检测装置，该原子气体浓度检测方法包括如下步骤：

通过准直激光器向格兰泰勒棱镜输出准直激光束；

通过格兰泰勒棱镜将来自准直激光器的准直激光束转换为线偏振准直激 光束；

利用反射镜的反射作用改变来自格兰泰勒棱镜的线偏振准直激光束的传 输方向并使其向消偏振分光棱镜传输；

利用消偏振分光棱镜的反射作用改变来自反射镜的线偏振准直激光束的 传输方向并使其向置于样品台上的原子气泡传输；

入射到原子气泡内的线偏振准直激光束与原子气泡内的原子气体作用形 成背向散射光；

来自原子气泡的背向散射光经消偏振分光棱镜透射后向傅里叶透镜传输， 通过傅里叶透镜将背向散射光会聚于探测器所在位置处；

利用检偏器检验来自傅里叶透镜的背向散射光是否为偏振光，以提高信噪 比；

利用探测器通过二维扫描的方式获得来自检偏器的背向散射光强度分布 的数据并将该数据发送至计算机；

利用计算机对来自探测器的背向散射光强度分布的数据进行保存、曲线拟 合和计算得到原子气泡内的原子气体的浓度。

优选地，所述计算机对来自所述探测器的背向散射光强度分布的数据进行 寻峰，并将通过峰值点的一列数据进行洛伦兹曲线拟合；

原子气体浓度的表达式为：

ρ=1/(lσ)，

其中，l为传输平均自由程；σ为散射截面；

散射截面σ的表达式为：

σ=(n²-1)²，

其中，n为原子气体的有效折射率；

洛伦兹曲线的半高宽的表达式为：

W=0.7/(kl)，

其中，W为洛伦兹曲线的半高宽；k为等效光波矢。

本发明具有如下有益效果：

本发明的原子气体浓度浓度检测装置及方法利用光学相干背散射效应，通 过光学相干背散射信号的测量分析得到原子气体的浓度特性，从而能够实现原 子气体封闭汽室内的原子浓度的无损检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测 装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。

如图1所示，本实施例提供的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检 测装置包括准直激光器1、格兰泰勒棱镜2、反射镜3、消偏振分光棱镜4、样 品台5、傅里叶透镜6、检偏器7、探测器8和计算机9。

准直激光器1、格兰泰勒棱镜2和反射镜3沿横向方向依次设置于同一条 直线上。反射镜3和消偏振分光棱镜4沿纵向方向设置于同一条直线上。样品 台5设置于消偏振分光棱镜4的一侧，在消偏振分光棱镜4的另一侧沿远离样 品台5的方向依次设置傅里叶透镜6、检偏器7和探测器8，且样品台5、消偏 振分光棱镜4、傅里叶透镜6、检偏器7和探测器8沿横向方向位于同一条直 线上。探测器8设置于傅里叶透镜6的焦面上。探测器8通过数据线与计算机 9电连接。

准直激光器1用于向格兰泰勒棱镜2输出准直激光束。在本实施例中，准 直激光器1的工作波长为600-800nm；准直激光器1的输出方式为连续输出或 脉冲输出；准直激光器1输出的准直激光束的发散角小于10^-4rad。格兰泰勒 棱镜2用于将来自准直激光器1的准直激光束转换为线偏振准直激光束。反射 镜3用于改变来自格兰泰勒棱镜2的线偏振准直激光束的传输方向并使其向消 偏振分光棱镜4传输。消偏振分光棱镜4用于改变来自反射镜3的线偏振准直 激光束的传输方向并使其向置于样品台5上的原子气泡(图中未示出)传输。样 品台5用于放置原子气泡(图中未示出)。在本实施例中，样品台5与射向原子 气泡的线偏振准直激光束之间的夹角α为15°至45°，如图1所示。消偏振分 光棱镜4还用于透射来自原子气泡的背向散射光。傅里叶透镜6用于将背向散 射光会聚于其焦平面上即探测器8所在位置处。在本实施例中，傅里叶透镜6 的焦距为200-400mm。检偏器7用于检验来自傅里叶透镜6的背向散射光是 否为偏振光，以提高信噪比，且检偏器7的偏振方向与格兰泰勒棱镜2的偏振 方向一致。探测器8用于通过二维扫描的方式获得来自检偏器7的背向散射光 强度分布的数据并将该数据发送至计算机9。计算机9用于对来自探测器8的 背向散射光强度分布的数据进行保存、曲线拟合和计算得到原子气泡内的原子 气体的浓度。

本实施例提供的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测方法采用 上述原子气体浓度检测装置，该原子气体浓度检测方法包括如下步骤：

S1：通过准直激光器1向格兰泰勒棱镜2输出准直激光束；在本实施例中， 准直激光器1的工作波长为600-800nm，准直激光器1的输出方式为连续输出 或脉冲输出，准直激光器1输出的准直激光束的发散角小于10^-4rad；

S2：通过格兰泰勒棱镜2将来自准直激光器1的准直激光束转换为线偏振 准直激光束；

S3：利用反射镜3的反射作用改变来自格兰泰勒棱镜2的线偏振准直激光 束的传输方向并使其向消偏振分光棱镜4传输；

S4：利用消偏振分光棱镜4的反射作用改变来自反射镜3的线偏振准直激 光束的传输方向并使其向置于样品台5上的原子气泡(图中未示出)传输；在本 实施例中，样品台5与射向原子气泡的线偏振准直激光束之间的夹角为15°至 45°；

S5：入射到原子气泡内的线偏振准直激光束与原子气泡内的原子气体作用 形成背向散射光；

S6：来自原子气泡的背向散射光经消偏振分光棱镜4透射后向傅里叶透镜 6传输，通过傅里叶透镜6将背向散射光会聚于其焦面上，即通过傅里叶透镜 6将背向散射光会聚于探测器8所在位置处；在本实施例中，傅里叶透镜6的 焦距为200-400mm；

S7：利用检偏器7检验来自傅里叶透镜6的背向散射光是否为偏振光，以 提高信噪比；在本实施例中，检偏器7的偏振方向与格兰泰勒棱镜2的起偏方 向一致；

S8：利用探测器8通过二维扫描的方式获得来自检偏器7的背向散射光强 度分布的数据并将该数据发送至计算机9；

S9：利用计算机9对来自探测器8的背向散射光强度分布的数据进行保存、 曲线拟合和计算得到原子气泡内的原子气体的浓度。

在上述步骤S9中，计算机9对来自探测器8的背向散射光强度分布的数 据进行寻峰，并将通过峰值点的一列数据进行洛伦兹曲线拟合。

原子气体浓度的表达式为：

ρ=1/(lσ)，  公式(1)

公式(1)中，l为传输平均自由程；σ为散射截面。

散射截面σ的表达式为：

σ=(n²-1)²，  公式(2)

公式(2)中，n为原子气体的有效折射率。

洛伦兹曲线的半高宽的表达式为：

W=0.7/(kl)，  公式(3)

公式(3)中，W为洛伦兹曲线的半高宽；k为等效光波矢。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示 意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可 以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同 替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例 技术方案的精神和范围。