含緩沖氣的原子氣體中各組分比例的檢測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了含緩沖氣的原子氣體中各組分比例的檢測方法：將準直激光器作為探測光源輸出準直光束；準直光束通過格蘭泰勒棱鏡得到線偏振準直光束；線偏振準直光束的總光強由光強功率計進行測量并將測量得到的數(shù)據(jù)傳輸至電腦；線偏振準直光束入射到樣品臺上并在通過樣品臺后形成向四周擴散的傳輸光；向四周擴散的傳輸光的光強由積分球和示波器進行測量并將測量得到的數(shù)據(jù)傳輸至電腦；向四周擴散的傳輸光的光強和線偏振準直光束的總光強由電腦進行數(shù)據(jù)分析計算得到向四周擴散的傳輸光的透射率，進一步計算得出含緩沖氣體的原子氣體中非緩沖氣體和緩沖氣體的組分比例F。解決了封閉氣室中含緩沖氣體的原子氣體組分無損檢測問題。同時還公開了該裝置。
【專利說明】含緩沖氣的原子氣體中各組分比例的檢測方法及裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及原子氣體檢測【技術(shù)領域】，特別是一種利于散射系統(tǒng)中光波擴散傳輸特性對含緩沖氣體的原子氣體中各組分比例進行檢測的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]原子氣體介質(zhì)是當代科技創(chuàng)新和工業(yè)生產(chǎn)中最為基礎也是最為重要的一類基本體系，在冷原子研究、光譜技術(shù)、電磁學、時頻計量等多個領域都具有不可替代的巨大作用。原子氣體最重要的應用方面之一就是用作原子頻標中物理部分的工作物質(zhì)。原子頻標是基于原子能級躍遷的一種時頻計量技術(shù)，是目前最為精確的時頻計量基準?，F(xiàn)今，在原子頻標物理部分工作物質(zhì)中應用最為廣泛的就是氫、銣、銫等原子氣體。在實際的生產(chǎn)及使用過程中，原子氣體被封裝于一個透明氣泡中，為了顯著提高原子頻標的準確度，通常在封裝的原子氣體氣泡中還會同時充入部分緩沖氣體。作為原子頻標中產(chǎn)生固定頻率的核心部分，原子氣體具有十分關(guān)鍵的地位。由于含有緩沖氣體的原子氣體中各個組分比例的變化將對原子頻標的穩(wěn)定度以及準確度等關(guān)鍵參數(shù)會產(chǎn)生顯著影響，所以對封裝好的原子氣體各個組分的比例進行有效的無損檢測對于原子頻標的高性能工作具有巨大幫助。但是，由于氣泡具有密閉性，目前還沒有很好的技術(shù)手段對封裝好的含有緩沖氣體的原子氣體各個組分比例進行非破壞性檢測。如果能夠設計研發(fā)出一種方法對含有緩沖氣體的原子氣體中各組分比例進行有效的無損檢測，那么不僅會極大地提高人們的工作效率，而且還會有助于原子頻標的進一步研發(fā)。
[0003]當光波入射到散射體系時，其前向傳輸行為會受到散射體的散射作用，導致其傳輸方向、光強分布等特性發(fā)生改變。此時，光強分布不再集中于光波的入射方向，而是向四周擴散傳輸，光的擴散傳輸行為遵從擴散理論，根據(jù)該理論能夠得到散射體系內(nèi)部的信息。考慮到原子氣體彌散在氣泡當中，是一個典型的散射體系，因此，當光波入射時同樣具有擴散傳輸行為，而我們也就可以根據(jù)其擴散傳輸行為分析得到原子氣體的特性。
[0004]本發(fā)明就是針對含緩沖氣體的原子氣體中各組分比例的無損檢測這一關(guān)鍵問題，利用光波擴散傳輸特性設計了一種含緩沖氣體的原子氣體中各組分比例的檢測裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種含緩沖氣的原子氣體中各組分比例的檢測方法，該方法通過光波的擴散傳輸行為的測量分析得到含緩沖氣體的原子氣體中各組分比例，解決了封閉氣室中含緩沖氣體的原子氣體組分特性難以進行無損檢測的關(guān)鍵問題。
[0006]本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種含緩沖氣的原子氣體中各組分比例的檢測裝置。
[0007]為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種含緩沖氣的原子氣體中各組分比例的檢測方法，該方法包括如下步驟:[0008]I)將準直激光器作為探測光源，輸出準直光束；
[0009]2)將步驟I)得到的準直光束通過格蘭泰勒棱鏡得到線偏振準直光束；
[0010]3)步驟2)得到的線偏振準直光束的總光強由光強功率計進行測量并將測量得到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線傳輸至電腦；
[0011]4)步驟2)得到的線偏振準直光束入射到樣品臺上并在通過樣品臺后形成向四周擴散的傳輸光；
[0012]5)步驟4)得到的向四周擴散的傳輸光的光強由積分球和示波器進行測量并將測量得到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線傳輸至電腦；
[0013]6)步驟4)得到的向四周擴散的傳輸光的光強和步驟2)得到的線偏振準直光束的總光強由電腦進行數(shù)據(jù)分析計算得到向四周擴散的傳輸光的透射率，并進一步計算得出含緩沖氣體的原子氣體中非緩沖氣體和緩沖氣體的組分比例F。
[0014]優(yōu)選地，步驟I)所述探測光源的工作波長為600nm-800nm范圍，準直光束的發(fā)散角小于10_4rad的，輸出方式為連續(xù)輸出或脈沖輸出。
[0015]優(yōu)選地，步驟4)所述線偏振準直光束與樣品臺的前表面入射角成90°。
[0016]為解決本發(fā)明的第二個技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種含緩沖氣的原子氣體各組分比例的檢測裝置，該裝置包括探測光源、格蘭泰勒棱鏡、樣品臺、積分球、示波器、光電探測器和電腦。
[0017]探測光源是由準直激光器輸出的一束準直激光束；所述準直激光束經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡形成線偏振準直激光束，并由光電探測器測量線偏振準直激光束總光強；所述線偏振準直激光束通過樣品臺，并形成沿入射方向不變的傳輸光和向四周擴散的傳輸光兩部分；所述沿入射方向不變的傳輸光直接通過積分球，向四周擴散的傳輸光由積分球和示波器測量；線偏振準直激光束的總光強和向四周擴散的傳輸光光強數(shù)據(jù)由電腦進行收集分析得到含緩沖氣體的原子氣體中各組分比例。
[0018]優(yōu)選地，所述探測光源的工作波長為600nm-800nm，輸出發(fā)散角小于10_4rad，輸出方式為連續(xù)輸出或脈沖輸出；
[0019]優(yōu)選地，所述線偏振準直光束與樣品臺的前表面入射角成90°。
[0020]優(yōu)選地，所述格蘭泰勒棱鏡的線偏振通道方向為任意方向，偏振度大于10000:1
[0021]含緩沖氣體的原子氣體中非緩沖氣體和緩沖氣體的組分質(zhì)量比例F的表達式為:
[0022]F=f/(l-f),
[0023]其中f為非緩沖氣體所占的質(zhì)量百分比。
[0024]所述非緩沖氣體所占的質(zhì)量百分比可由原子氣體濃度P的表達式得出:
[0025]P = [mf/ a1+m(l-f) / a2] /V,
[0026]其中m為含緩沖氣體的原子氣體的總質(zhì)量，al和a2分別為非緩沖氣體和緩沖氣體的原子質(zhì)量，V為緩沖氣體的原子氣體的總體積。
[0027]所述混合原子氣體濃度表達式為:
[0028]P =1/(1 O)，
[0029]其中I為傳輸平均自由程，σ為散射截面。
[0030]所述散射截面表達式為:
[0031]σ=(η2_1)2，[0032]其中η為原子氣體的有效折射率。
[0033]所述有效折射率表達式為:
[0034]η2= ε
[0035]根據(jù)擴散理論，所述傳輸平均自由程可由向四周擴散的傳輸光的透射率T的表達式為:
[0036]T=[(1+ζ)_(1+z+L/l)exp(_L/1)]/ (L/l+2z)
[0037]其中L是散射體系的厚度，其中z為常數(shù)。
[0038]所述含緩沖氣體的原子氣體中非緩沖氣體和緩沖氣體的組分比例F可通過電腦由向四周擴散的傳輸光的透射率T計算得出。
[0039]本發(fā)明的效果是利用光波的擴散傳輸行為，提供一種含緩沖氣體的原子氣體中組分比例的檢測方法及裝置。該裝置可以通過光波的擴散傳輸行為的測量分析得到含緩沖氣體的原子氣體中各組分比例，解決了封閉汽室中含緩沖氣體的原子氣體組分特性難以進行無損檢測的關(guān)鍵問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1是本發(fā)明所提出的含緩沖氣的原子氣體中各組分比例檢測裝置示意圖。【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進一步加以說明。
[0042]如圖1所示，一種含緩沖氣的原子氣體各組分比例的檢測裝置，該裝置包括探測光源I，格蘭泰勒棱鏡2、樣品臺3、積分球4、不波器5、光電探測器6和電腦7。
[0043]準直激光器作為探測光源I輸出一束準直激光束，工作波長為600nm-800nm，輸出發(fā)散角小于10_4rad,輸出方式為連續(xù)輸出或脈沖輸出；準直激光束經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡2形成線偏振準直激光束，并由光電探測器6測量線偏振準直激光束總光強；線偏振準直激光束通過樣品臺3，線偏振準直光束入射的角度與樣品臺的前表面成90°，并形成沿入射方向不變的傳輸光和向四周擴散的傳輸光兩部分；沿入射方向不變的傳輸光直接通過積分球4，向四周擴散的傳輸光由積分球4和示波器5測量；線偏振準直激光束的總光強和向四周擴散的傳輸光光強數(shù)據(jù)由電腦7進行收集分析得到含緩沖氣體的原子氣體中各組分比例。
[0044]其中，格蘭泰勒棱鏡的線偏振通道方向為任意方向，偏振度大于10000:1。
[0045]利用上述裝置，對含緩沖氣的原子氣體中各組分比例的檢測方法包括如下步驟:
[0046]I)將準直激光器作為探測光源I輸出準直光束，工作波長為600nm至800nm范圍，準直光束的發(fā)散角小于10_4rad的，準直激光器輸出方式為連續(xù)輸出或脈沖輸出；
[0047]2)將準直光束通過格蘭泰勒棱鏡2得到線偏振準直光束；
[0048]3)所述線偏振準直光束的總光強由光強功率計6進行測量并將測量得到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線傳輸至電腦7 ;
[0049]4)所述線偏振準直光束入射到樣品臺3上并在通過樣品臺后形成向四周擴散的傳輸光，其中樣品臺3與線偏振準直光束成90° ;
[0050]5)所述向四周擴散的傳輸光的光強由積分球4和示波器5進行測量并將測量得到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線傳輸至電腦7 ；[0051]6)所述向四周擴散的傳輸光的光強和線偏振準直光束的總光強由電腦5進行數(shù)據(jù)分析計算得到向四周擴散的傳輸光的透射率，并進一步計算得出含緩沖氣體的原子氣體中非緩沖氣體和緩沖氣體的組分比例F。
【權(quán)利要求】
1.含緩沖氣的原子氣體中各組分比例的檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將準直激光器作為探測光源(I)，輸出準直光束； 2)將步驟I)得到的準直光束通過格蘭泰勒棱鏡(2)得到線偏振準直光束； 3)步驟2)得到的線偏振準直光束的總光強由光強功率計(6)進行測量并將測量得到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線傳輸至電腦(X)； 4)步驟2)得到的線偏振準直光束入射到樣品臺(3)上并在通過樣品臺后形成向四周擴散的傳輸光； 5)步驟4)得到的向四周擴散的傳輸光的光強由積分球(4)和示波器(5)進行測量并將測量得到的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線傳輸至電腦(7)； 6)步驟4)得到的向四周擴散的傳輸光的光強和步驟2)得到的線偏振準直光束的總光強由電腦(7)進行數(shù)據(jù)分析計算得到向四周擴散的傳輸光的透射率，并進一步計算得出含緩沖氣體的原子氣體中非緩沖氣體和緩沖氣體的組分比例F。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于:步驟I)所述探測光源(I)的工作波長為600nm-800nm范圍，準直光束的發(fā)散角小于10-4rad的，輸出方式為連續(xù)輸出或脈沖輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于:步驟4)所述線偏振準直光束與樣品臺(3)的前表面入射角成90°。
4.執(zhí)行權(quán)利要求1-3中的任一種檢測含緩沖氣的原子氣體中各組分比例方法的檢測裝置，包括探測光源(I)、格蘭泰勒棱鏡(2)、樣品臺(3)、積分球(4)、示波器(5)、光電探測器(6)和電腦(7)； 其特征在于:探測光源(I)是由準直激光器輸出的一束準直激光束；所述準直激光束經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡(2)形成線偏振準直激光束，并由光電探測器(6)測量線偏振準直激光束總光強；所述線偏振準直激光束通過樣品臺(3)，并形成沿入射方向不變的傳輸光和向四周擴散的傳輸光兩部分；所述沿入射方向不變的傳輸光直接通過積分球(4)，向四周擴散的傳輸光由積分球(4)和示波器(5)測量；線偏振準直激光束的總光強和向四周擴散的傳輸光光強數(shù)據(jù)由電腦(7)進行收集分析得到含緩沖氣體的原子氣體中各組分比例。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測裝置，其特征在于:所述探測光源(I)的工作波長為600nm-800nm，輸出發(fā)散角小于10_4rad，輸出方式為連續(xù)輸出或脈沖輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的檢測裝置，其特征在于:所述線偏振準直光束與樣品臺(3)的前表面入射角成90°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的檢測裝置，其特征在于:所述格蘭泰勒棱鏡(2)的線偏振通道方向為任意方向，偏振度大于10000:1。
【文檔編號】G01N21/17GK103472000SQ201310446997
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】石凡, 崔永順, 趙環(huán), 王暖讓, 楊仁福, 年豐, 楊春濤, 葛軍, 楊于杰, 馮克明 申請人:北京無線電計量測試研究所