[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

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；