劉鈺煌，劉梓祿，朱相毅，陳佳純，杜炎雄

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

真空玻璃是內(nèi)部具有低壓強(qiáng)的特殊玻璃，具有隔熱、降噪的同時保持通光性的優(yōu)點，因而在建筑行業(yè)中得到廣泛運用. 真空玻璃的性能主要由其內(nèi)部的壓強(qiáng)決定，因此需要在生產(chǎn)過程對其壓強(qiáng)進(jìn)行檢測，同時，玻璃本身以及內(nèi)部的支撐材料會隨時間推移緩慢釋放氣體，因此玻璃內(nèi)部的真空也有使用壽命. 由于真空玻璃是整體包裝，所以要求真空的檢測方法必須實時、快速、準(zhǔn)確而且無損[1]. 目前國內(nèi)外對真空玻璃壓強(qiáng)的測量方法主要有：1)電容薄膜真空規(guī)測量法，此方法需破壞真空玻璃才可以測量；2)熱導(dǎo)率測量法，其精確度與效率難以兩全；3)光彈法以及動態(tài)法，這2種方法只能進(jìn)行定性檢測，實際應(yīng)用中干擾因素比較多. 本文基于光共振吸收原理測量真空玻璃的壓強(qiáng)，該方法具有非接觸測量、實時無損、操作簡便的優(yōu)點.

1 實驗原理

1.1 共振吸收原理

原子系統(tǒng)可看成諧振子系統(tǒng)，電子在原子核的束縛勢中能級呈現(xiàn)量子化狀態(tài). 由于諧振子勢中能級間距不等，通過選擇合適的激光可以實現(xiàn)2個能級之間的躍遷. 當(dāng)激光頻率與某二能級系統(tǒng)共振時，原子對激光發(fā)生強(qiáng)烈的吸收. 當(dāng)激光頻率偏移該系統(tǒng)的共振頻率時，原子對激光的吸收快速下降[2].

1.2 銣泡內(nèi)壓強(qiáng)計算公式的推導(dǎo)過程

定義共振光散射面積為

(1)

其中nt是原子介質(zhì)的折射率(nt≈1),ε0為真空電容率,E0為激光電場強(qiáng)度,c為光速,n為介質(zhì)折射率. 輻射場頻率失諧和拉比頻率的參量分別定義為

其中P為基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的電偶極矩,ωp為激光頻率. 故當(dāng)s=1時，有

(2)

其Isat的單位為W/m2.

將(2)式代入(1)式得：

即有

(3)

當(dāng)原子被δ+光或δ-光驅(qū)動時，飽和光強(qiáng)減小到

即有

(4)

將(4)式代入(3)式可得：

(5)

又透射光強(qiáng)Iout和入射光強(qiáng)Iin滿足

(6)

其中,k為激光波矢量,L為介質(zhì)長度,χ為介質(zhì)極化率. 引入定義光學(xué)深度γOD[2-4]

Iout=Iine-γOD.

(7)

當(dāng)所有失諧為零時，

(8)

(9)

令ωp=ω，將(5)式代入(9)式可得：

因真空中折射率n=1，故

γOD=NLσ0.

(10)

將(10)式代入(7)式得：

Iout=Iine-NLσ0，

也即

(11)

最后，因為理想氣體狀態(tài)方程為

pV=nRT，

設(shè)單位體積內(nèi)粒子數(shù)為N，即

(12)

將(11)式代入(12)式，可以得到壓強(qiáng)最終的表達(dá)式為

(13)

2 實驗系統(tǒng)

2.1 熱敏電阻的選擇

實驗所用溫度控制器為TED200C(即12 W激光二極管溫度控制器)，其輸出為±2 A/12 W，溫度范圍對應(yīng)的電阻阻值為10 Ω～200 kΩ.

根據(jù)熱敏電阻的選擇原則[5]，并結(jié)合本實驗系統(tǒng)的測溫范圍、精度要求等實際情況，最終選擇了10 kΩ的熱敏電阻[6].

2.2 溫度范圍

為了在有效的溫度范圍內(nèi)獲得更加準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，以及考慮到在現(xiàn)實生活中的推廣應(yīng)用，將測量溫度范圍定在5～45 ℃(其對應(yīng)電阻阻值為4～25 kΩ).

2.3 實驗裝置

圖1為實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，激光器發(fā)射出的激光射入銣泡，入射激光與銣原子發(fā)生共振吸收后射出銣泡并被探測器接收. 通過與探測器相連的示波器可以觀察到不同光強(qiáng)對應(yīng)的電壓曲線，分析處理示波器所得數(shù)據(jù)，可以得到銣泡內(nèi)的壓強(qiáng)[7-8].

圖1 實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

通過該實驗裝置可以完成2項探究：

1)通過溫控系統(tǒng)改變銣泡溫度，研究溫度對銣泡內(nèi)壓強(qiáng)的影響；

2)通過激光控制器改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)，研究輸入光強(qiáng)對銣泡內(nèi)壓強(qiáng)的影響.

圖2為溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖. 由銣泡引起的溫度變化，經(jīng)過熱敏電阻轉(zhuǎn)換成電信號后送入溫度控制器. 送入信號與溫度控制器的設(shè)定溫度信號進(jìn)行比較，可以得到反饋信號. 反饋信號經(jīng)過數(shù)字PID控制器處理后獲得調(diào)節(jié)信號，通過TEC驅(qū)動電路輸出給TEC模塊. TEC根據(jù)流過的電流方向，對銣泡進(jìn)行制冷或加熱，使得銣泡溫度穩(wěn)定在溫度控制器的設(shè)定溫度附近[9].

圖2 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)果與分析

在實驗測量中，采用780 nm的激光作為光源，接收器放置于銣泡后連接示波器，由于入射光強(qiáng)與出射光強(qiáng)之比等于相對應(yīng)的電壓之比，故分別測量通過銣泡前后接收器的電壓可間接得入射和出射光強(qiáng)，將測量數(shù)據(jù)代入(13)式，從而無損傷獲得樣品壓強(qiáng).

3.1 溫度對樣品壓強(qiáng)的影響

使用TED200C溫控儀對樣品進(jìn)行控溫，在溫度范圍為5～45 ℃內(nèi)每隔5 ℃測量1組入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)，并且取其平均值，數(shù)據(jù)記錄如表1所示.

表1 不同溫度下的入射、出射光電壓

對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到溫度與壓強(qiáng)(玻璃壓強(qiáng))的關(guān)系，擬合結(jié)果如圖3所示. 從圖3可以看出溫度在5～45 ℃的范圍內(nèi)樣品的壓強(qiáng)隨溫度的升高而近乎線性增大，沒有發(fā)生突變，基本符合理想氣體狀態(tài)方程. 另外，該曲線趨勢與Daniel A. Steck的實驗[4]在5～45 ℃范圍較為吻合，從而可基本認(rèn)可該無損傷測量壓強(qiáng)的方法在常溫下的可行性與準(zhǔn)確度. 不過對比文獻(xiàn)上的銣泡壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系圖[4]，此曲線縱坐標(biāo)整體偏小. 為此，進(jìn)一步理論分析發(fā)現(xiàn)銣在不同條件下對光的吸收率不同，從而導(dǎo)致測得的壓強(qiáng)整體偏小，因此仍需要利用實驗對理論進(jìn)行驗證.

圖3 壓強(qiáng)-溫度曲線

3.2 光強(qiáng)對樣品壓強(qiáng)的影響

由于銣在不同條件下對光的吸收率不同，實驗測得的結(jié)果與理論值相比存在較大偏差. 為使實驗測量更為精準(zhǔn)，對影響較大的因素(光強(qiáng))進(jìn)行探究. 控制溫度為20 ℃(室溫)，在其他條件保持不變的情況下，調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)，測得不同光強(qiáng)下壓強(qiáng)，如圖4所示.

圖4 壓強(qiáng)-入射光電壓曲線

由圖4可知， 0.07～0.3 mV壓強(qiáng)隨電壓的增大而出現(xiàn)大幅度減小，但在0.01～0.07 mV內(nèi)壓強(qiáng)出現(xiàn)了平緩區(qū)，從圖4可得壓強(qiáng)值保持約為0.9×10-7Pa，與文獻(xiàn)[4]中銣泡在20 ℃條件下壓強(qiáng)約為1.1×10-7Pa更為接近，從而可知壓強(qiáng)與入射光強(qiáng)的選擇是有關(guān)系的，故在實驗中應(yīng)選取0.01～0.07 mV平緩區(qū)所對應(yīng)的入射光強(qiáng)作為該實驗裝置的工作光強(qiáng)，降低光強(qiáng)對壓強(qiáng)測量的影響，使實驗測量更加精準(zhǔn).

4 結(jié)束語

利用光學(xué)共振吸收測量真空玻璃內(nèi)部壓強(qiáng)，使測量壓強(qiáng)的實驗簡化，并做到無損壞真空玻璃測量壓強(qiáng)，實驗現(xiàn)象更加明顯，通過黃銅底座、TEC、溫控儀等對銣泡進(jìn)行固定并控制恒溫，同時對測量影響較大的因素(光強(qiáng))進(jìn)行探究，確定了工作光強(qiáng)，減少外部環(huán)境對實驗測量的影響，使實驗測量壓強(qiáng)更為精準(zhǔn). 本實驗與利用黏滯真空規(guī)和測量真空玻璃熱導(dǎo)率來判定其壓強(qiáng)等測量真空玻璃的壓強(qiáng)的方法相比，實驗裝置調(diào)整與校正更容易. 在實驗中利用銣泡作為待測樣品對該方法的可行性進(jìn)行了演示，通過選擇合適的激光波長與探測器，該方法可以將推廣到真空玻璃的壓強(qiáng)測量中.

[1] 唐健正,李洋. 真空玻璃內(nèi)部氣壓(壓強(qiáng))的測量方法[C]//2007’中國玻璃行業(yè)年會暨技術(shù)研討會論文集. 杭州：2007.

[2] 王義遒. 原子的激光冷卻與陷俘[M]. 北京：北京大學(xué)出版社,2008:68-71.

[3] Chen Jiefei. Manipulating classical and nonclassical light with cold atoms [D]. Hong Kong: Hong Kong University of Science and Technology, 2011.

[4] Steck D A. Rubidium 87 D line data [EB/OL]. available http://steck.us/alkalidata (revision 2.1.5, 13 January 2015).

[5] 屈安山. 簡述熱敏電阻傳感器的原理與選用[J]. 企業(yè)導(dǎo)報,2016(2):53.

[6] 王本軼. 熱敏元件及其正確使用[J]. 浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2013，13(1):55-59.

[7] 趙國儉,張敬,張蓮蓮. 銣D2線飽和吸收光譜的測量[J]. 物理實驗,2008,28(2):1-4.

[8] 沈異凡. 用光學(xué)吸收法測量鈉蒸汽的原子密度[J]. 物理實驗,1990，10(2):49-50.

[9] 董瀚琳,李淼,張建,等. 激光二極管溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀表技術(shù),2014(8):28-31.