[发明专利]透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法

说明书

本发明公开了透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法。本发明装置包括碱金属气室，其内部充满碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；光路系统，提供用于极化碱金属原子至SERF态和检测气室内部温度的激光，包括激光器、λ/2波片、PBS、准直器等；无磁电加热系统，对碱金属气室进行加热，并且不引入磁场噪声；磁补偿系统，补偿磁屏蔽桶内的剩磁，信号检测处理系统，用于检测和处理透过气室的光信号；闭环控制系统，控制气室内部温度。本发明方法简单方便，可以快速控制气室内部温度，不引入磁场噪声，对提升原子磁强计性能有重要影响，适用于小型化、集成化的阵列式原子磁强计。

技术领域

本发明属于量子精密测量领域，具体涉及一种透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法。

背景技术

碱金属原子气室是原子磁强计、原子陀螺仪等量子测量装置敏感核心部件，气室的温度直接影响到测量装置的灵敏度。为了保证碱金属原子的高密度和高极化率，需要原子气室内部温度稳定，具有一定的抗干扰能力。

目前碱金属气室的温度测量是基于pt1000铂电阻测温法实现的(pt1000是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比，pt 1000的阻值与温度变化关系为：当温度为0℃时pt1000的阻值为1000欧姆)。铂电阻是一种接触式测温方法，将铂电阻贴于气室壁的一端，通过测量电阻值从而间接计算测量温度，可搭配高分辨率的AD采样模块实现mK量级的测温分辨率(AD采样模块，AD，Analog to Digital，模拟转数字)。但是这种方法需要给铂电阻施加一个恒流源激励电流从而引入磁场噪声，并且无法真实反映气室内部的温度，从而影响碱金属原子的极化率，进而影响量子测量装置的性能。光纤光栅法可以测量碱金属气室内部的温度，但是需要配备相应的解调仪，不适用于阵列式原子磁强计。常规的光吸收测温方法需要在不同温度下不断改变入射光频率计算光学深度，通过拟合洛伦兹线性函数得到气室内部温度，对于阵列式原子磁强计探头，测量精度取决于拟合的准确度，误差较大，并且不同探头、不同剩磁环境、不同外界条件下的拟合曲线不相同，每次工作时都要进行重新拟合，难以应用于阵列式集成化的原子磁强计碱金属气室中。因此，需要提出一种新的阵列式原子磁强计碱金属气室温度控制装置与方法，测量气室内部的温度、避免引入磁场干扰。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，解决传统铂电阻测温法无法测量碱金属气室内部温度并引入磁场干扰的问题，常规光吸收法操作复杂、测量精度低等问题，提供一种透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法，适用于阵列式原子磁强计碱金属气室内部温度控制，适用于小型化、集成化等应用场景。

本发明的技术解决方案如下：

透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置，其特征在于，包括：

碱金属气室，所述碱金属气室内部充填有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；

光路系统，用于提供极化碱金属原子至SERF态的激光以检测碱金属气室内部温度；

无磁电加热系统，用于改变加热功率从而改变碱金属气室温度；

磁补偿系统，用于补偿磁屏蔽桶内的剩磁，使磁强计工作在近零磁环境；

信号检测处理系统，用于检测和处理透过碱金属气室的光信号，该光信号能表征碱金属气室内部的温度；

闭环控制系统，用于控制碱金属气室内部温度，以出射光电流值作为反馈温度，实现温度的闭环PID控制。

所述光信号与碱金属气室内部温度的关系式如下：