一种基于外差干涉的气室温度控制系统
阅读说明：本技术 一种基于外差干涉的气室温度控制系统 (Air chamber temperature control system based on heterodyne interference ) 是由 王卓 刘祀浔 袁琪 王瑞钢 庞昊颖 秦博东 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：一种基于外差干涉的气室温度控制系统,通过使一束单色光在包含气室的光学系统中形成经过所述气室的第一合束光和不经过气室的第二合束光,以便利用第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量,从而以基于纯光场进行测温的方式减少单点测温带来的温度梯度,提高气室温度测量精度。(A first beam combination light passing through the air chamber and a second beam combination light not passing through the air chamber are formed in an optical system comprising the air chamber through a beam of monochromatic light, so that the temperature of the air chamber is measured by using the optical path difference or phase difference between the first beam combination light and the second beam combination light, the temperature gradient caused by single-point temperature measurement is reduced in a pure optical field-based temperature measurement mode, and the temperature measurement precision of the air chamber is improved.)
技术领域
本发明涉及气室温度控制系统技术领域，可应用于气室测温，可满足于纯光学测温，特别适用于碱金属气室的全光学测温。
背景技术
气室是许多科学装置的关键部件，尤其是对于量子测量仪器是核心敏感部件。其中，温度不可避免地影响气室的性能，因此实现气室温度的高精度测量和稳定控制具有重要意义。
目前，关于此研究对象的测温方式主要包括两类，第一类是接触式温度传感器测温，将温度传感器与测温目标紧密接触，测温结果采用有线或者无线通信方式发送给测温主机，但是这类测温方法是单点测温，难以解决温度梯度的问题，测温点多时成本会急剧上升，还容易引入环境温度的干扰；第二类主要是红外测温方法，这类主要依据的是红外测温原理，优点是是非接触式测温安全性高，但是精度不高，很难应用在高精度的仪器上。
综上，随着光束调制技术和光束合成技术的发展和应用的普及，针对气室温度系统设计有了广阔的前景，而这方面的研究实践研究还比较缺乏。本专利从总体出发，基于外差干涉的气室温度控制系统的设计，将为相似的气室测温设计提供指导和借鉴。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于外差干涉的气室温度控制系统，通过使一束单色光在包含气室的光学系统中形成经过所述气室的第一合束光和不经过气室的第二合束光，以便利用第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量，从而以基于纯光场进行测温的方式减少单点测温带来的温度梯度，提高气室温度测量精度。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于外差干涉的气室温度控制系统，其特征在于，包括光学系统，所述光学系统使一束单色光形成经过气室的第一合束光和不经过气室的第二合束光，利用所述第一合束光与所述第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量。
所述第一合束光通过第一光电探测器连接信号处理器，所述第二合束光通过第二光电探测器连接所述信号处理器，所述信号处理器用于计算第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差，所述信号处理器分别连接温控系统和上位机。
所述光学系统包括产生所述单色光的激光器，所述激光器连接第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜使输入的所述单色光形成大小相同且偏振方向正交的第一束光和第二束光，所述第一束光通过第二反射镜连接第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜使所述第一束光分为第三束光和第四束光，所述第三束光连接第二激光合束镜，所述第四束光通过第三反射镜连接第一激光合束镜，所述第二束光通过调制器生成第二束调制光后连接第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜将所述第二束调制光分为第五束光和第六束光，所述第五束光通过气室和第一反射镜到达第一激光合束镜，所述第一激光合束镜将所述第五束光和所述第四束光合成所述第一合束光，所述第六束光连接所述第二激光合束镜，所述第二激光合束镜将所述第六束光和所述第三束光合成所述第二合束光。
所述调制器为噪声衰减器或者电光调制器或者声光调制器。
所述温控系统对气室温度进行PID闭环控制(PID，Proportional IntegralDerivative，或者，Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)。
通过信号处理器得到的相位差信号，经过前期标定数据后，即可得到气室实时温度。
所述得到气室实时温度的方式如下：
定义第一光电探测器探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器探测到的光信号为参考信号；
激光经过调制器调制后，与未经调制的激光通过第二激光合束镜进行合束，由第二光电探测器接收到的参考信号的电矢量信号Eref为：
Eref＝A1 cos(kmz-ωmt）
km＝π(v1-v2)/c＝ωm/c
其中A1为第二光电探测器测量到的合束电矢量信号Eref中的高频分量单位探测时间内的平均值，即一个直流量A1；v1和v2分别为经过调制器前和经过后的光束频率；km为合束后的光矢量的波数；ωm为合束后的光矢量的角频率；c为真空中的光速；
第二光电探测器探测到的参考信号的光强为Iref(t)为一个随时间t变化的量：
其中φref是初始相位为一常值，其大小由合束前两束光的光程差决定；
同理，激光经过调制器调制并穿过气室后，与未经调制的激光通过第一激光合束镜进行合束，并由第一光电探测器探测，得到的测量信号的光强大小Imeas(t)为一个随时间t变化的量：
其中A2为第二光电探测器测量到的合束电矢量信号中的高频分量单位探测时间内的平均值，即一个直流量A2；φ′为一初始相位，其大小由合束前两束光的光程差决定，由于有气室的存在，φ′的值并不是常值，而是随着气室的折射率n的变化而变化；
此时参考信号与测量信号为同频率信号，其相位差φ1为：
φ1＝φref-φ′＝φ0+2km(n-1)l
其中φ0为一常数值，由除气室以外的光程大小决定，l为光路经过气室的长度，理想状态下为气室的直径。
采用气室的折射率n直接由温度决定的以下式子得到原子密度即气室温度：
n＝1-K(ω)·natom
其中natom为原子密度，与温度成正比例相关关系；K(ω)为原子密度与折射率之间的比例系数；ω为经过调制器前的激光频率。
本发明的技术效果如下：本发明一种基于外差干涉的气室温度控制系统，以气室为研究对象，针对气室的温度测量问题，通过温度影响原子的密度方法，同时结合利用不同的原子密度会带来不同的折射率，建立了一种利用光程差实现对气室原子密度进行测量的方案，实现了利用光程差实现对气室温度测量的设计效果。本发明基于纯光场进行测温，在满足了设计需求的用时具有便于工程实现(比如高效率、便于工程实现)的特点，减少了单点测温带来的温度梯度，提高了测量精度，适用于具有对气室温度进行测量控制一类的产品，具有十分广阔的应用前景。
本发明的特点如下：与现有的接触式温度传感器测温方法相比，本发明优点在于利用光学信息直接获取到气室内的温度变化情况，而非通过气室外的温度监控点进行间接测量。不仅避免了监控点环境噪声的干扰，还通过参考信号的引入有效的抑制了振动和光强变化等共模噪声。并且本发明为无磁测温方法，避免了测温信号传输过程中电磁噪声对信号的干扰，这对于基于原子自旋效应的超高灵敏惯性、磁场测量装置具有非常大的实用价值；与现有的非接触式测温方法相比，本发明的精度更高。且测量的信息为气室内部整体温度场的信息，而非红外测温方法等技术测量到的气室表面的温度信息。
附图说明
图1是实施本发明一种基于外差干涉的气室温度控制系统的结构示意图。
附图标记列示如下：1-激光器(用于生成一束单色光)；2-第一偏振分光棱镜(用于形成大小相同且偏振方向正交的第一束光和第二束光)；3-第二反射镜(用于将第一束光传输到第三偏振分光棱镜)；4-调制器(用于激光波长调制，将第二束光调制成第二束调制光)；5-第三反射镜(用于将第四束光传输到第一激光合束镜)；6-第三偏振分光棱镜(用于将第一束光分为第三束光和第四束光)；7-第二偏振分光棱镜(用于将第二束调制光分为第五束光和第六束光)；8-第二激光合束镜(用于将第三束光与第六束光合为第二合束光)；9-气室(第五束光通过气室到达第一反射镜)；10-第一反射镜(用于将第五束光传输到第一激光合束镜)；11-第一激光合束镜(用于将第五束光与第四束光合为第一合束光)；12-第一光电探测器(用于将第一合束光信号传输到信号处理器)；13-第二光电探测器(用于将第二合束光信号传输到信号处理器)；14-信号处理器(用于计算第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差以实现对气室温度的测量)；15-温控系统(用于根据气室温度测量结果对气室温度实时控制)；16-上位机(用于供指导者观察气室温度实时测量结果)。
具体实施方式
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于外差干涉的气室温度控制系统的结构示意图。参考图1所示，一种基于外差干涉的气室温度控制系统，包括光学系统，所述光学系统使一束单色光形成经过气室9的第一合束光和不经过气室的第二合束光，利用所述第一合束光与所述第二合束光之间的光程差或相位差实现对气室温度的测量。所述第一合束光通过第一光电探测器12连接信号处理器14，所述第二合束光通过第二光电探测器13连接所述信号处理器14，所述信号处理器14用于计算第一合束光与第二合束光之间的光程差或相位差，所述信号处理器14分别连接温控系统15和上位机16。
所述光学系统包括产生所述单色光的激光器1，所述激光器1连接第一偏振分光棱镜2，所述第一偏振分光棱镜2使输入的所述单色光形成大小相同且偏振方向正交的第一束光和第二束光，所述第一束光通过第二反射镜3连接第三偏振分光棱镜6，所述第三偏振分光棱镜6使所述第一束光分为第三束光和第四束光，所述第三束光连接第二激光合束镜8，所述第四束光通过第三反射镜5连接第一激光合束镜11，所述第二束光通过调制器4生成第二束调制光后连接第二偏振分光棱镜7，所述第二偏振分光棱镜7将所述第二束调制光分为第五束光和第六束光，所述第五束光通过气室9和第一反射镜10到达第一激光合束镜11，所述第一激光合束镜11将所述第五束光和所述第四束光合成所述第一合束光，所述第六束光连接所述第二激光合束镜8，所述第二激光合束镜8将所述第六束光和所述第三束光合成所述第二合束光。所述调制器4为噪声衰减器或者电光调制器或者声光调制器。所述温控系统15对气室温度进行PID闭环控制(PID，Proportional Integral Derivative，或者，Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)。
通过信号处理器得到的相位差信号，经过前期标定数据后，即可得到气室实时温度。
所述得到气室实时温度的方式如下：
定义第一光电探测器探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器探测到的光信号为参考信号；
激光经过调制器调制后，与未经调制的激光通过第二激光合束镜进行合束，由第二光电探测器接收到的参考信号的电矢量信号Eref为：
Eref＝A1 cos(kmz-ωmt)
km＝π(v1-v2)/c＝ωm/c
其中A1为第二光电探测器测量到的合束电矢量信号Eref中的高频分量单位探测时间内的平均值，即一个直流量A1；v1和v2分别为经过调制器前和经过后的光束频率；km为合束后的光矢量的波数；ωm为合束后的光矢量的角频率；c为真空中的光速；
第二光电探测器探测到的参考信号的光强为Iref(t)为一个随时间t变化的量：
其中φref是初始相位为一常值，其大小由合束前两束光的光程差决定；
同理，激光经过调制器调制并穿过气室后，与未经调制的激光通过第一激光合束镜进行合束，并由第一光电探测器探测，得到的测量信号的光强大小Imeas(t)为一个随时间t变化的量：
其中A2为第二光电探测器测量到的合束电矢量信号中的高频分量单位探测时间内的平均值，即一个直流量A2；φ′为一初始相位，其大小由合束前两束光的光程差决定，由于有气室的存在，φ′的值并不是常值，而是随着气室的折射率n的变化而变化；
此时参考信号与测量信号为同频率信号，其相位差φ1为：
φ1＝φref-φ′＝φ0+2km(n-1)l
其中φ0为一常数值，由除气室以外的光程大小决定，l为光路经过气室的长度，理想状态下为气室的直径。
气室的折射率n直接由温度决定：
n＝l-K(ω)·natom
其中natom为原子密度，与温度成正比例相关关系；K(ω)为原子密度与折射率之间的比例系数；ω为经过调制器前的激光频率。
一种基于外差干涉的气室温度控制系统，包括调制器4、激光合束镜8、信号处理器14、温控系统15；用激光器1生成一束单色光，经过第一偏振分光棱镜2后刚好分为两路大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过调制器4、第二偏振分光棱镜7后分为两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过气室9、第一反射镜10后到达第一激光合束镜11；经第二偏振分光棱镜7分束后的第二束光送到第二激光合束镜8；经第一偏振分光棱镜分束后的第二束光依次经过第二反射镜3、第三偏振分光棱镜6后分成两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光经过第三反射镜5后送到第一激光合束镜11；经第三偏振分光棱镜6分束后的第二束光送到第二激光合束镜8；第一激光合束镜11将两束光合束后经过第一光电探测器12，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器14，第二激光合束镜8将两束光合束后送入第二光电探测器13，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器14；信号处理器14将两路输入信号进行比较，并将结果同时反馈给温控系统15进行气室温度控制以及上位机16供指导者观察。
所述光路中的调制器4选用噪声衰减器、电光调制器或者声光调制器，用于激光波长调制。激光合束镜，用于特定波长激光的分束或合束。
一种基于外差干涉的气室温度控制方法，包括以下步骤：
(1)用一定频率的正弦波电压信号或者方波电压信号作用于调制器4，使出射激光波长产生固定的调制；
(2)为了使气室温度稳定，需要对温度进行PID闭环控制，用信号处理器14将第一光电探测器(12)探测到的第一激光合束镜11发出光的相位信号与第二光电探测器13探测到的第二激光合束镜8发出光的相位信号作差，再经过信号处理器14把相位差转换为电压信号作为反馈量送给温控系统15的PID控制器，对气室温度进行实时控制。
一种基于外差干涉的气室温度控制系统和方法，通过信号处理器14得到的相位差信号，经过前期标定数据后，得到气室实时温度。
(1)用激光器(1)生成一束单色光，经过第一偏振分光棱镜(2)后刚好分为两路大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过调制器(4)、第二偏振分光棱镜(7)后分为两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过气室(9)、第一反射镜(10)后到达第一激光合束镜(11)；经第二偏振分光棱镜(7)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；经第一偏振分光棱镜分束后的第二束光依次经过第二反射镜(3)、第三偏振分光棱镜(6)后分成两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光经过第三反射镜(5)后送到第一激光合束镜(11)；经第三偏振分光棱镜(6)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；第一激光合束镜(11)将两束光合束后经过第一光电探测器(12)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)，第二激光合束镜(8)将两束光合束后送入第二光电探测器(13)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)；信号处理器(14)将两路输入信号进行比较，并将结果同时反馈给温控系统(15)进行气室温度控制以及上位机供指导者观察。调制器(4)选用噪声衰减器、电光调制器或者声光调制器(性能能不能满足要求)，用于激光波长调制。
(2)用一定频率的正弦波电压信号或者方波电压信号作用于调制器(4)，使光路波长产生固定的调制；
(3)为了使气室温度稳定，需要对温度进行PID闭环控制，用信号处理器(14)将第一光电探测器(12)探测到的第一激光合束镜(11)发出光的相位信号与第二光电探测器(13)探测到的第二激光合束镜(8)发出光的相位信号作差，再经过信号处理器(14)把相位差转换为电压信号作为反馈量送给温控系统(15)的PID控制器，对气室温度进行实时控制。
(4)通过信号处理器(14)得到的相位差信号，经过前期标定数据后，可以查表得到气室实时温度，即：
定义第一光电探测器(12)探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器(13)探测到的光信号为参考信号。
激光经过调制器(4)调制后，与未经调制的激光通过第二激光合束镜(8)进行合束，由第二光电探测器(13)接收到的参考信号的电矢量信号Eref为：
Eref＝A1 cos(km z-ωm t)
km＝π(v1-v2)/c＝ωm/c
其中A1为合束电矢量信号Eref中的高频分量，但由于其频率远大于第二光电探测器(13)的带宽(60KHz-40GHz)，因此最终测量到的这部分为单位探测时间内的平均值，即一个直流量A1；v1和v2分别为经过调制器(4)前和经过后的光束频率；km为合束后的光矢量的波数；ωm为合束后的光矢量的角频率；c为真空中的光速。
第二光电探测器(13)探测到的参考信号的光强为Iref(t)为一个随时间t变化的量：
其中φref是初始相位为一常值，其大小由合束前两束光的光程差决定。
同理，激光经过调制器(4)调制并穿过气室(9)后，与未经调制的激光通过第一激光合束镜(11)进行合束，并由第一光电探测器(12)探测，得到的测量信号的光强大小Imeas(t)为一个随时间t变化的量：
其中A2为合束电矢量信号中的高频分量，但由于其频率远大于第一光电探测器(12)的带宽(60KHz-40 GHz)，因此最终测量到的这部分为单位探测时间内的平均值，即一个直流量A2；φ′为一初始相位，其大小由合束前两束光的光程差决定，由于有气室(9)的存在，φ′的值并不是常值，而是随着气室(9)的折射率n的变化而变化。
此时参考信号与测量信号为同频率信号，其相位差φ1为：
φ1＝φref-φ′＝φ0+2km(n-1)l
其中φ0为一常数值，由除气室(9)以外的光程大小决定，l为光路经过气室(9)的长度，理想状态下为气室(9)的直径。
一般来说，气室(9)的折射率n直接由温度决定，可以表示为以下形式：
n＝1-K(ω)·natom
其中natom为原子密度，与温度成正比例相关关系；K(ω)为原子密度与折射率之间的比例系数；ω为经过调制器(4)前的激光频率。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用激光对气室进行测温，通过测量气室内不同温度下原子密度实现对气室温度的测量，避免了传统测温方式中单点测温导致的精度不高的的缺陷。同时采用纯光场进行测温，避免了直接接触，减少了环境温度波动带来的干扰，进一步提高了测温的精度。
总之，与现有的接触式温度传感器测温方法相比，本方法优点在于利用光学信息直接获取到气室内的温度变化情况，而非通过气室外的温度监控点进行间接测量。不仅避免了监控点环境噪声的干扰，还通过参考信号的引入有效的抑制了振动和光强变化等共模噪声。并且本方法为无磁测温方法，避免了测温信号传输过程中电磁噪声对信号的干扰，这对于基于原子自旋效应的超高灵敏惯性、磁场测量装置具有非常大的实用价值；与现有的非接触式测温方法相比，本方法的精度更高。且测量的信息为气室内部整体温度场的信息，而非红外测温方法等技术测量到的气室表面的温度信息。
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。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。