一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法

摘要

一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法，本发明涉及一种碱金属原子数密度测量方法。该方法首先制作充有正压气体的碱金属气室，并均匀加热；其次，以稳定功率的激光照射气室并扫频，测出碱金属的吸收曲线，进行取负对数处理得到光学深度曲线；最后，对得到的数据进行洛伦兹非线性拟合，取洛伦兹曲线的半峰值全宽，得到压力展宽的参数，继而得到充入气体的气压，然后根据洛伦兹曲线的峰值，得到碱金属蒸气的原子数密度，实现对碱金属气室的原子密度及气体压强的测量。

权利要求

1.一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法，其特征在于包括以下步骤：(1)制作充有正压气体的碱金属气室并均匀加热，以稳定功率的激光照射气室并扫频，测出碱金属的吸收曲线，取负对数处理得到光学深度数据；

所述测出碱金属的吸收曲线具体为：

(11)将激光两次通过分光棱镜，分成三束光强相同的光束；一束照射真空碱金属气室，另外一束照射充有正压气体的碱金属气室，一束照射规模相同的真空气室，分别接入3个光电探测器；

(12)将步骤(11)中前两束光的光电探测器信号分别与第三束光的作差，得到真空条件和正气压条件下的碱金属吸收曲线；

(2)对步骤(1)得到的光学深度数据进行洛伦兹非线性拟合，所采用的洛伦兹函数为：其中，ΓL为压力展宽的参数，ν0为碱金属原子的跃迁频率，K为比例系数；

取拟合的洛伦兹曲线的半峰值全宽ΓL＝v+-v-，ν-、ν+为半峰值所对的频率，得到压力展宽的参数，继而得到充入气体的气压；

(3)对步骤(2)得到的洛伦兹曲线和压力展宽的参数，根据拟合的洛伦兹曲线的峰值得到碱金属蒸气的原子密度；

所述步骤(3)中，对洛伦兹曲线和压力展宽的参数，根据拟合的洛伦兹曲线的峰值得到碱金属蒸气的原子数密度n的方法为：其中，光学深度OD＝nσ(v)l，l为碱金属气室的光学长度；σ(v)为碱金属原 子的光子吸收截面积，它的标准洛伦兹曲线的峰值其中，re为电子半径，c为光速，f为谐振强度，ΓL为压力展宽的参数ΓL＝v+-v-；

ν-、ν+为拟合的洛伦兹函数的半峰值所对的频率；

所述的洛伦兹函数为：

其中，ν0为碱金属原子的跃迁频率，K为比例系数。

说明书

一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种原子密度测量方法，特别是一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法，可用于定性定量分析碱金属原子的物理特性实验。

背景技术

[0002] 原子蒸气的数密度对于解释原子碰撞实验、原子物理特性的测量实验以及原子的光抽运等应用具有重要的意义。特别是碱金属原子，由于其最外层只有一个电子的简单结构，使其成为物理乃至光学的重点研究对象。传统的碱金属蒸气密度测量方法是测量碱金属蒸气的温度，继而根据经验密度公式获得，简单但误差很大。根据非展宽的吸收谱线积分法测量碱金属蒸气的原子密度，由于低温下多普勒展宽系数较小，曲线线宽很窄，对激光器的性能要求高；若对其高温加热，碱金属蒸气的温度难以精确稳定控制和预测，误差较大。基于法拉第效应的原子密度测量方法，在提取先偏光的旋转角时需要进行法拉第调制，而进行调制的法拉第晶体易受温度影响而产生漂移，且实验较为复杂。

发明内容

[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法，对测量的气室内充入数个大气压的气体，利用压力展宽的原理，改变光谱吸收曲线，避免光吸收谱线线宽窄而导致测量误差大的问题，提高原子密度的测量精度。

[0004] 本发明的技术解决方案为：一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法，其特征在于：首先，制作充有正压的气体的碱金属气室，并均匀加热至碱金属蒸气饱和；其次，以稳定功率的激光照射气室并扫频，测出碱金属的吸收曲线，并进行处理得到光学深度；最后，对得到的数据进行洛伦兹非线性拟合，取其半峰值全线宽，得到压力展宽的参数，继而得到气压，然后根据洛伦兹曲线的峰值，得到碱金属蒸气的原子数密度。其实现步骤如下：

[0005] (1)制作充有正压气体的碱金属气室并均匀加热，以稳定功率的激光照射气室并扫频，测出碱金属的吸收曲线，取负对数处理得到光学深度曲线；

[0006] (2)对步骤(1)得到的光学深度数据进行洛伦兹非线性拟合，取拟合的洛伦兹曲线的半峰值全宽，得到压力展宽的参数，继而得到充入气体的气压；

[0007] (3)对步骤(2)得到的洛伦兹曲线和压力展宽的参数，根据拟合的洛伦兹曲线的峰值得到碱金属蒸气的原子密度。

[0008] 所述步骤（3）中，对洛伦兹曲线和压力展宽的参数，根据其峰值得到碱金属蒸气的原子数密度n的方法为：

[0009]

[0010] 其中，光学深度OD＝nσ(v)l，l为碱金属气室的光学长度；σ(v)为碱金属原子的光子吸收截面积，它的标准洛伦兹曲线的峰值

[0011] 其中，re为电子半径，c为光速，f为谐振强度，ΓL为压力展宽的参数ΓL＝v+-v-；

[0012] ν-、ν+为拟合的洛伦兹函数的半峰值所对的频率；

[0013] 所述的洛伦兹函数为：

[0014]

[0015] 其中，ν0为碱金属原子的跃迁频率，K为比例系数。

[0016] 本发明的原理是：原子的吸收光谱在温度和压强的影响下，其线宽会变宽。当压力展宽的增宽远远大于温度引起的多普勒展宽时，光谱呈洛伦兹分布。据此，对充有正压气体的碱金属气室，以激光进行照射并扫频，测量出碱金属的吸收光谱；然后进行洛伦兹拟合，得出半峰值全宽，进而得到充入气体的气压值；根据洛伦兹曲线的峰值和气压，得出碱金属蒸气的原子密度。

[0017] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用压力展宽效应，充入正压的气体，使压力展宽远远大于多普勒展宽，克服了真空条件下，多普勒展宽参数估计不准、线宽窄导致原子密度测量误差大的问题，避免了无法直接接触测量温度和温度误差带来密度测量误差的问题，方法简单可靠。

附图说明

[0018] 图1为本发明的一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法的流程图；

[0019] 图2为本发明中吸收光谱测量实验的系统示意图。

具体实施方式

[0020] 如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：

[0021] 1、制作充有正压的气体和真空条件的内含碱金属的玻璃气室以及真空气室，并用烤箱均匀加热。

[0022] 2、将步骤1制作的玻璃气室置于如图2所示的实验装置中，其中1为DFB激光器，2为准直透镜，3、5为1/2波片，4、6为PBS，7为玻璃气室，图中的3个分别为真空气室、真空碱金属气室、充有正压气体的碱金属气室，8为光电探测器，9数据采集板。

[0023] 以稳定功率的激光照射气室并扫频，测量出碱金属的吸收曲线。具体步骤为：

[0024] 1)将激光两次通过分光棱镜，分成三束光强相同的光束；一束照射真空碱金属气室，另外一束照射充有正压气体的碱金属气室，一束照射规模相同的真空气室，分别接入3个光电探测器；

[0025] 2)将步骤1)中所述的前两束光的光电探测器信号分别与第三束光的作差，得到真空条件和正气压条件下的碱金属吸收曲线；

[0026] 3)将步骤2)中所述的碱金属吸收曲线进行取负对数处理，

[0027] I＝I(0)exp(-OD) (1)

[0028] I(0)为初始光强，得到光学深度OD；

[0029] 4)根据步骤2)中得到的真空条件下的碱金属吸收曲线，得到谐振频率ν0。

[0030] 3、对步骤2得到的光学深度数据进行洛伦兹非线性拟合，所采用的洛伦兹函数为：

[0031]

[0032] 其中，ΓL为压力展宽的参数，ν0为碱金属原子的跃迁频率，K为比例系数。

[0033] 取拟合的洛伦兹曲线的半峰值全宽ΓL＝v+-v-，ν-、ν+为半峰值所对的频率，得到压力展宽的参数，除以单位大气压下的压力展宽系数得到充入气体的气压。

[0034] 4、根据步骤3得到的洛伦兹曲线，取峰值ODmax，则碱金属蒸气的原子密度：

[0035]

[0036] 其中，光学深度OD＝nσ(v)l，l为碱金属气室的光学长度；σ(v)为碱金属原子的光子吸收截面积，它的标准洛伦兹曲线的峰值：

[0037]

[0038] 其中，re为电子半径，c为光速，f为谐振强度。

[0039] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。