探测原子束流的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种探测原子束流的装置和方法，可应用于原子束探测、光谱检测，属于原子物理和精密测量领域。

背景技术

原子束流从原子炉中发射出来以后，出射速度很大，一般都会在200m/s以上，此时的原子束流经过了前面原子束准直器的准直后，出射角度相对较好，在横向方向的速度分布小，可以用于各种精密测量。但是因为原子束流速度大，与后面探测光束的相互作用时间很短（原子束流通过探测光束的时间）这样就导致一系列问题：1）作用时间短，探测信号弱；2）渡越时间短，谱线展宽严重，影响最终测量精度；3）在作用时间短的情况下，为了增强光束与原子的作用，需要增强光功率，这会带来一系列光功率引起的频移等问题，并且会增大噪声。

如图1所示，现有原子束流的探测过程包括：从原子炉中发射出的原子束流2经原子束准直器1准直后，与从光电探测装置4中发出的探测光束3相互作用，原子在探测光束的作用下发生能级跃迁，由于原子束流2中的原子速度非常快，探测光束3不易使得原子吸收足够的能量发生跃迁，造成后续光电探测装置4采集到的能级跃迁的光谱信号非常弱，出现探测难度大，探测准确度低的问题。

有鉴于此，需要提出一种新的探测原子束流的装置和探测方法，用于提升探测精度。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种探测原子束流的装置和探测方法，控制与原子束流相互作用的激光束的作用时间延长，提升探测精度。

本发明提供一种探测原子束流的装置，所述探测原子束流的装置包括：

原子束流发生装置，所述原子束流发生装置用于发射原子束流；振镜装置，所述振镜装置设置于所述原子束流发射路径的一侧；以及光电探测装置；其中，所述光电探测装置的激光器输入的激光经所述振镜装置反射后形成探测光束，所述探测激光光束和所述原子束流成角度设置，调制所述振镜装置使得所述探测光束沿着所述发射路径移动并与所述原子束流相互作用，输出原子跃迁谱信号和荧光强度信号至所述光电探测装置的电控系统，所述电控系统用于输出对应的原子跃迁谱和荧光强度信息。

作为可选的技术方案，所述探测光束和所述原子束流相互垂直。

作为可选的技术方案，所述振镜装置包括激光振镜或者微小可驱动反射镜。

作为可选的技术方案，还包括光校准装置，所述光校准装置用于校准所述探测光束，以使所述探测光束和所述原子束流相互垂直；

其中，所述光校准装置位于所述振镜装置靠近或者远离所述原子束流发射路径的一侧。

作为可选的技术方案，所述光校准装置为透镜，所述透镜位于所述原子束流发射路径和所述振镜装置之间，且所述振镜位于所述透镜的焦点位置。

作为可选的技术方案，所述光校准装置为曲面反射镜，所述曲面反射镜的凹反射面和所述振镜的反射面相对设置，

其中，经所述振镜的反射面反射的中间激光束朝向所述凹反射面射出，并经所述凹反射面反射形成与所述原子束流垂直的所述探测光束。

本发明还提供一种探测原子束流的方法，所述探测原子束流的方法包括：

提供激光器，激光器输入的激光经振镜装置反射形成探测光束；

调制振镜装置的反射面的角度，控制探测光束在原子束流的发射路径上移动；

采集探测光束和原子束流相互作用产生的原子跃迁谱信号和荧光强度信号，并输出原子跃迁谱和荧光强度信息。

作为可选的技术方案，还包括：

调制振镜装置的反射面的角度，探测光束和原子束流相互垂直。

作为可选的技术方案，还包括：

经振镜装置反射的激光束再经光校准装置出射后形成探测光束。

作为可选的技术方案，光校准装置为透镜，激光束经位于透镜焦点上的振镜装置反射后，再经透镜出射形成垂直原子束流的探测光束；或者

光校准装置为曲面反射镜，激光束经振镜装置反射后，再经曲面反射镜的凹反射面出射形成垂直原子束流的探测光束。

与现有技术相比，本发明提供的探测原子束流的装置和探测方法，在原子束流发射路径上，设置振镜装置，通过振镜装置的振动角度的调制，经振镜装置反射的探测光束作为探测光束能够持续在原子束流的发射路径上移动，使得探测光束与原子束流的作用时间延长。进一步，振镜装置使得探测光束持续跟随原子束流，换言之，探测光束在振镜装置的调制下形成的连续探测光场，因此，可以极大限度的降低对于探测光束的要求，使得使用低功率激光器达到大功率激光器、大光斑情况下的探测效果得以实现。由于使用的激光功率较低，可以最大限度的降低激光引起的光频移效应，进一步提高测量精度。

另外，通过光校准装置使得探测光束始终垂直原子束流，这样能够减小两者不相互垂直带来的展宽效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的原子束流探测的示意图；

图2为本发明一实施例中提供的探测原子束流的装置的功能模块图；

图3为本发明另一实施例中提供的探测原子束流的装置的功能模块图；

图4为使用透镜校准形成平行且垂直于原子束流的探测光束的原理示意图；

图5为本发明又一实施例中提供的探测原子束流的装置的功能模块图；

图6为使用曲面反射镜校准形成平行且垂直于原子束流的探测光束的原理示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的在于提供一种探测原子束流的装置和探测方法，采用振镜装置反射激光束形成可以在原子束流发射路径上移动的探测光束，探测光束跟随原子束流的时间得以延长，即，探测光束和原子束流的接触时间变长，原子能够充分接收探测光束的能量被激发发生能级跃迁，进而光电探测装置能够检测到跃迁信号，进行精密测量。

如图2所示，本发明一实施例中提供一种探测原子束流的装置，其包括：设置于真空腔室50内的原子束流发生装置，原子束流发生装置用于发射原子束流20；设置于原子束流发射路径上的振镜装置60；以及用于探测原子束流的光电探测装置；其中，光电探测装置的激光器40输入的激光30经振镜装置60反射后形成探测光束30a，探测光束30a和原子束流20成角度设置，调制振镜装置60使得探测光束30a沿着原子束流20的发射路径移动，并持续与原子束流20相互作用，进而输出原子跃迁谱信号和荧光强度信号至光电探测装置的电控系统70，电控系统70用于输出对应的原子跃迁谱和荧光强度信息。

本实施例中，在原子束流20的发射路径上设置振镜装置60，调整振镜装置60改变振镜装置60的反射面相对原子束流20的角度，使得经振镜装置60反射产生的探测光束30a可以持续地在原子束流20的发射路径上移动，实现探测光束30a对原子束流20的跟随，增加了探测光束30a和原子束流20的接触时间，因此，原子束流20中的原子可以充分接收来自探测光束30a的能量并发生能级跃迁，产生期望的跃迁信号，使得光电探测装置的电控系统70采集的信号更准确，实现精密测量。

如图2所示，原子束流发生装置包括原子炉（未图示）和准直器10，原子炉经加热产生原子束流，原子束流在准直器10准直后发射形成上述原子束流20。

在本发明一优选的实施方式中，探测光束30a和原子束流20相互垂直。

在本发明一优选的实施方式中，振镜装置60包括激光振镜或者微小可驱动反射镜，其中，微小可驱动反射镜对应为MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）振镜。

继续参照图2，振镜装置60在调制过程中，其自身的快速振动导致反射面的角度改变，进而反射面上出射的探测光束30a不能始终按照与原子束流20垂直的方向进行探测，当探测光束30a不能与原子束流20垂直时容易导致展宽效应。

为了避免探测光束30a因调制振镜装置60导致与原子束流20不能始终垂直的现象，本发明提供的探测原子束流的装置包括光校准装置，光校准装置用于校准探测光束30a，使得探测光束30a在探测过程中始终和原子束流20相互垂直。

具体的，如图3所示，光校准装置例如为透镜100，透镜100设置于原子束流20和振镜装置60之间，且振镜装置60布置在透镜100的焦点上，其中，光电探测装置的激光器40输入的激光30经振镜装置60的反射面反射作为中间光束30b，中间光束30b经透镜100出射作为始终垂直于原子束流20的探测光束30a。可以理解的是，调制振镜装置60的过程中，振镜装置60按照预设振动速度进行振动，其自身振动带来的反射面的角度改变，使得从反射面上出射的中间光束30b以不同的角度入射至透镜100中，透镜100使得不同入射角度的中间光束30b持续被校准为垂直于原子束流20的探测光束30a。且，振镜装置60调制过程中，因为中间光束30b存在多个连续的不同的入射角，使得从透镜100出射的探测光束30a在原子束流20的发射路径上连续移动，这种连续的移动视作探测光束30a在探测过程中对原子束流20的连续扫描，进而使得原子束流20和探测光束30a的作用时间显著增加，实现有效的精密测量。

根据图4可知，振镜装置60为透镜100时，设透镜焦距为f，根据透镜成像公式：1/u+1/v=1/f，其中，u为物距，v为像距。

当u=f，即物体在透镜焦点上时，v=无穷远（即平行光束）。换言之，将振镜装置60设置在透镜100的焦点上时，从振镜装置60出射的不同角度的中间光束30b，穿透透镜100之后，形成若干平行的探测光束30a，且平行的探测光束30a垂直于原子束流20。

本实施例中，使振镜装置60处在透镜100的焦点处，这样振镜装置60在振动过程中就能够使探测光束30a始终处于某一固定角度，例如始终处于与原子束流20相垂直的角度。

上述实施例中，以透镜为例说明的光校准装置的工作原理，但不以此为限。在本发明又一实施例中，光校准装置还可以是曲面反射镜200。

具体的，如图5所示，曲面反射镜200设置于振镜装置60远离原子束流20的一侧，即，曲面反射镜200和振镜装置60位于原子束流20的同一侧，振镜装置60位于原子束流20和曲面反射镜200之间，其中，曲面反射镜200的凹反射面和振镜装置60的反射面相对设置。

本实施例中，光电探测装置的激光器40输入的激光30经振镜装置60的反射面反射作为中间光束30c，中间光束30c经曲面反射镜200的凹反射面出射作为始终垂直于原子束流20的探测光束30a。

根据图6可知，振镜装置60为凹面反射镜时，设凹面反射镜的焦距为f，凹面反射镜的成像公式：1/u+1/v=1/f，其中，u为物距，v为像距。

当u=f，即物体在凹面反射镜焦点上时，v=无穷远（即平行光束）。换言之，将振镜装置60设置在凹面反射镜的焦点上时，从振镜装置60出射的不同角度的中间光束30c，经凹面反射镜反射之后，形成若干平行的探测光束30a，且平行的探测光束30a垂直于原子束流20。

本实施例中，使振镜装置60处在凹面反射镜的焦点处，这样振镜装置60在振动过程中就能够使探测光束30a始终处于某一固定角度，例如始终处于与原子束流20相垂直的角度。

可以理解的是，调制振镜装置60的过程中，振镜装置60按照预设振动速度进行振动，其自身振动带来的反射面的角度改变，使得从反射面上出射的中间光束30c以不同的角度入射至曲面反射镜200的凹反射面上，凹反射面使得不同入射角度的中间光束30c持续被校准为垂直于原子束流20的探测光束30a。且，振镜装置60调制过程中，因为中间光束30c存在多个连续的不同的入射角，使得从凹反射面出射的探测光束30a在原子束流20的发射路径上连续移动，这种连续的移动视作探测光束30a在探测过程中对原子束流20的连续扫描，进而使得原子束流20和探测光束30a的作用时间显著增加，实现有效的精密测量。

由上述可知，在原子束流20一侧合理的布置特定结构的振镜装置60和光校准装置，使得从光电探测装置的激光器输入的激光经振镜装置调制后的中间光束经光校准装置校准为垂直于原子束流20的探测光束，降低探测过程中，因探测光束与原子束流未垂直带来的展宽效应。本发明中光校准装置可以是布置在振镜装置远离或者靠近原子束流20发射路径的一侧。

本发明还提供一种探测原子束流的方法，其包括：

提供激光器，激光器输入的激光经振镜装置反射形成探测光束；

调制振镜装置的反射面的角度，控制探测光束在原子束流的发射路径上移动；

采集探测光束和原子束流相互作用产生的原子跃迁谱信号和荧光强度信号，并输出原子跃迁谱和荧光强度信息。

在一优选的实施例中，调制振镜装置的反射面的角度，探测光束和原子束流相互垂直。进一步，经振镜装置反射的激光束再经光校准装置出射后形成探测光束，其中，探测光束垂直于原子束流。

在一优选的实施例中，光校准装置为透镜，激光束经位于透镜焦点上的振镜装置反射后，再经透镜出射形成垂直原子束流的探测光束；或者光校准装置为曲面反射镜，激光束经振镜装置反射后，再经曲面反射镜的凹反射面出射形成垂直原子束流的探测光束。

可以理解的是，本发明的上述探测原子束流的方法是基于本发明上述探测原子束流的装置实现的，具体的，

在真空腔室50中布置原子束流发生装置，原子束流发生装置产生的原子束流经准直器10准直后出射为原子束流20，原子束流20位于真空腔室中。

光电探测装置例如布置在真空腔室外侧，光电探测装置的激光器40通过光纤或者其他光传输设备，将激光输入至按照预设振动速度的振镜装置60，经振镜装置60的反射面反射作为探测光束30a进入真空腔室50中，其中，探测光束30a随着振镜装置60的振动速度在原子束流发射路径上持续移动与原子束流20相互作用。

振镜装置60的振动速度可以通过如下方式计算，

控制准直器10的原子束管处原子出射的温度，计算出原子束流的出射速度（最可几速率或者平均速度）；进而计算振镜装置60的振动速度。其中，振镜的振动频率（或者振动速度）与原子束流速度的关系：设原子束流速度为v0，振镜的振动频率为w，振镜振动的角度为β（半角），透镜或者凹面反射镜的焦距为f，则有：

公式1

根据公式1可知，振动频率为原子束流速度比上振镜振动的角度为β（半角）以及透镜或者凹面反射镜的焦距为f的比值。

具体的，最可几速率是指，气体分子热运动时遵从麦克斯韦速率分布律，当气体分子速率分布函数具有最大值时所对应的速率，即为最可几速率或者叫最概然速率。其中，最可几速率可以由如下公式2进行计算。其中，α 代表最可几速率；k

公式2

平均速率是指：气体分子热运动遵从麦克斯韦速率分布，气体分子的平均速率是描述气体分子三大热运动特征的一种。其中，平均速率可以由如下公式2进行计算。其中，α代表平均速率；k

公式 3

综上，本发明提供的探测原子束流的装置和方法，在原子束流的发射路径上，设置振镜装置，通过振镜装置的振动角度的调制，经振镜装置反射的探测光束作为探测光束能够持续在原子束流的发射路径上移动，使得探测光束与原子束流的作用时间延长。进一步，振镜装置使得探测光束持续跟随原子束流，换言之，探测光束在振镜装置的调制下形成的连续探测光场，因此，可以极大限度的降低对于探测光束的要求，使得使用低功率激光器达到大功率激光器、大光斑情况下的探测效果得以实现。由于使用的激光功率较低，可以最大限度的降低激光引起的光频移效应，进一步提高测量精度。

另外，通过光校准装置使得探测光束始终垂直原子束流，这样能够减小两者不相互垂直带来的展宽效应。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。此外，上面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。