(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210883967.3 (22)申请日 2022.07.26 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 杜鹏程　武嘉琪　袁琪　全伟　 (74)专利代理 机构 北京海虹嘉诚知识产权代理 有限公司 1 1129 专利代理师 吴小灿 (51)Int.Cl. G01N 21/65(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法 (57)摘要 基于拉曼光谱的原 位原子数密度测量方法， 通过气室内部缓冲气体的拉曼散射光谱测定气 室内部缓冲气体的环境温度， 进而实现气室内部 原子密度的实时原位测量。 与改变抽运光频率来 抑制光频移的方法相比， 本发明所述方法本方法 不受光学厚度的影响， 拟合精度高。 对于碱金属 的种类没有限制， 可以对两种及两种以上的混合 碱金属密度进行测量。 采用远失谐的拉曼光束， 不会破坏原子的极化， 保证了实时性和准确度。 对原子自旋精密测量系统的实现和精度提升提 供了重要的理论 参考。 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 CN 115508328 A 2022.12.23 CN 115508328 A 1.基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法， 其特征在于， 包括沿x轴照 射碱金属气室 的检测光束， 沿z轴照射碱金属气室的抽运光束， 以及沿y轴射碱金属气室的拉曼激光束， 所 述拉曼激光束从所述碱金属气室出射后经过凸透镜输入到拉曼光谱仪， 所述拉曼光谱仪通 过所述碱金属气室内部的缓冲气 体形成的拉曼散射光谱确定缓冲气 体感受到的环境温度， 利用所述环境温度得到所述碱金属气室内的碱金属原子数密度， 从而实现针对碱金属气室 内部的原位原子数密度测量。 2.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法， 其特征在于， 所述 拉曼激光束来自拉曼激光器， 所述拉曼激光器采用500nm激光器， 所述拉曼光谱仪的输出端 依次通过光电倍增管和放大器连接计算机 。 3.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法， 其特征在于， 所述 碱金属气室内部充 有碱金属原子， 以及缓冲气体氮气。 4.根据权利要求2所述的基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法， 其特征在于， 所述 光电倍增管位于所述拉曼光谱仪的出口狭缝 处， 通过计算机控制拉曼光谱仪的光栅式旋转 电机进行扫描， 通过放大器产生的逻辑脉冲获得光子数信息， 通过以下公式得到缓冲气体 感受到的环境温度T， 其中， C为实验测得的光子数， I为拉曼光束光强， V为气 室体积， [N2]为缓冲气体的原子 数密度， J为精细能级量子数， Z为旋转配 分函数， Ej为初态的转动能级， σ 为截面积， k为玻尔 兹曼常数， gj为原子核的相同玻色子交换对称性要求产生的统计因子， e为自然常数； 将以上得到的温度T代入下式， 其中， n(T)是原子数密度， nA与nB是与碱金属原子种类有关的常数， 碱金属原子一旦确 定， 这两个参数就确定 。 5.根据权利要求4所述的基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法， 其特征在于， 当碱 金属原子为钾K时， nA＝4.402， nB＝4453； 当碱金属原子为铷Rb时， nA＝4.312， nB＝4040； 当 碱金属原子为铯Cs时， nA＝4.165， nB＝3830。 6.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法， 其特征在于， 所述 检测光束来自于检测激光器， 所述检测激光器发射的检测 光束依次通过检测 光学系统， 磁 屏蔽筒， 磁补偿线圈， 以及 烤箱入射所述碱金属气室， 从所述碱金属气室出射的检测光束输 入到光电探测器； 所述抽运光束来自于抽运激光器， 所述抽运激光器发射的抽运光束依 次 通过抽运 光学系统， 磁屏蔽筒， 磁补偿线圈， 以及烤箱入射所述碱金属气室。 7.根据权利要求1所述的基于拉曼光谱的原位原子数密度测量方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： 步骤S1， 启动超高灵敏原子自旋精密测量系统； 步骤S2， 通过亥姆霍兹线圈进行三维主动磁场补偿， 使超高灵敏原子自旋精密测量系 统处于正常工作状态；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115508328 A 2步骤S3， 使用一束5 00nm波长的拉曼激光束穿过玻璃气室的中心； 步骤S4， 穿过玻璃气室中心的拉曼激光束通过凸透 镜进入拉曼光谱仪； 步骤S5， 在拉曼光谱仪的狭缝 出口处安装用于光子计数的光电倍增管； 步骤S6， 通过计算机控制拉曼光谱仪的光栅式旋转电机进行扫描， 通过放大器产生的 逻辑脉冲即可获得不同波长下的光子数信息； 步骤S7， 将获取的不同波长下的光子数进行高斯分析， 从而获得误差加权的不同波长 下的光子数峰值信息； 步骤S8， 将获得的不同波长下的光子数峰值信息通过以下公式进行拟合 其中， C为实验测得的光子数， I为拉曼光束光强， V为气室体积， [N2]为缓冲气体的原子 数密度， J为精细能级量子数， Z为旋转配分函数， Ej为初态的转动能级， σ 为截面积， k为玻尔 兹曼常数， T为缓冲气体感受到的环境温度， gj为原子核的相同玻色子 交换对称性要求产生 的统计因子， e为自然常数； 步骤S9， 通过实验测得的光子数拟合即可获得缓冲气体感受到的环境温度T； 步骤S10， 将获得的温度T代入下式得到 碱金属原子密度n， 其中n(T)为碱金属密度n关于温度T的的函数， 其中， T为拟合得到的气体感受到的环境 温度， nA与nB为不同碱金属本身的常数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115508328 A 3