[发明专利]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

权利要求书

1.基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置，其特征在于，该原子气体浓度检测装置包括：

准直激光器(1)，用于向格兰泰勒棱镜(2)输出准直激光束；

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)上的原子气泡传输，还用于透射来自原子气泡的背向散射光；

样品台(5)，用于放置原子气泡；

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；

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；

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)；以及

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；

所述准直激光器(1)、所述格兰泰勒棱镜(2)和所述反射镜(3)沿横向方向依次设置于同一条直线上；所述反射镜(3)和所述消偏振分光棱镜(4)沿纵向方向设置于同一条直线上；所述样品台(5)设置于所述消偏振分光棱镜(4)的一侧，在所述消偏振分光棱镜(4)的另一侧沿远离所述样品台(5)的方向依次设置所述傅里叶透镜(6)、所述检偏器(7)和所述探测器(8)，且所述样品台(5)、所述消偏振分光棱镜(4)、所述傅里叶透镜(6)、所述检偏器(7)和所述探测器(8)沿横向方向位于同一条直线上；所述探测器(8)通过数据线与所述计算机(9)电连接；

所述探测器(8)设置于所述傅里叶透镜(6)的焦面上；

所述检偏器(7)的偏振方向与所述格兰泰勒棱镜(2)的偏振方向一致。

2.根据权利要求1所述的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置，其特征在于，所述准直激光器(1)的工作波长为600-800nm。

3.根据权利要求1所述的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置，其特征在于，所述准直激光器(1)输出的准直激光束的发散角小于10-4rad。

4.根据权利要求1所述的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置，其特征在于，所述准直激光器(1)的输出方式为连续输出或脉冲输出。

5.根据权利要求1所述的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置，其特征在于，所述样品台(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°。

6.根据权利要求1所述的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测装置，其特征在于，所述傅里叶透镜(6)的焦距为200-400mm。

7.基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测方法，该原子气体浓度检测方法采用权利要求1-6中任一项所述的原子气体浓度检测装置，其特征在于，该原子气体浓度检测方法包括如下步骤：

通过准直激光器(1)向格兰泰勒棱镜(2)输出准直激光束；

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；

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；

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(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探测器(8)所在位置处；

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；

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)；

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。

8.根据权利要求7所述的基于光学相干背散射效应的原子气体浓度检测方法，其特征在于，所述计算机(9)对来自所述探测器(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)，

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。