基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法

1.本发明涉及通过激光诱导荧光进行密度反演的技术领域，具体涉及基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法。


背景技术：

2.激光诱导荧光技术是指利用激光激发物质发射荧光，通过采集激光脉冲与介质相互作用产生的荧光信号进行判别的一种检测技术。lif检测系统主要包括激光器、检测光路、光电探测器、信号处理模块几部分。lif检测作为高灵敏度的检测技术近年来得到了快速发展，其浓度检验精度高,同时具有检测时间短、可实现在线检测等优点，在大气污染监测等领域得到广泛应用。
3.关于激光诱导荧光测量氦原子密度，目前主要应用于核聚变领域。国外，国际联合的iter(international thermonuclear experimental reactor，即国际热核聚变实验堆)和德国的axdex upgrade托卡马克装置，通过激光诱导荧光进行了氦原子密度测量或者进行了方案设计，采取的光谱方案主要有两种：入射激光波长388.9nm，探测荧光587.6nm；入射激光波长667.8nm，探测荧光667.8nm。但文献中都未给出具体的通过荧光信号反演氦密度的方法，而国内关于激光诱导荧光测量氦原子密度尚无相关文献。公开号为cn110146410a的现有发明专利文献《基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法》包括：采用两个脉冲光源，一个作为信号光，一个作为光学泵浦光。两束光合束后沿两条光路传播，其中一路放置原子池，作为信号光路，一路不放置原子池，作为吸收谱线的校准光路。两路光经探测器转化为电信号后相减，能够去除吸收谱线中由于光路及光源不稳定性带来的影响，提高测量精确度。该现有专利文献中利用吸收谱线的每个精细吸收峰分别确定处于各个能级的原子密度，利用完整吸收谱中的每个单独的吸收谱线与能级跃迁的对应关系，进行数据截取和积分操作，可以计算出原子每个能态的布居数，但无法计算得到特定热平衡条件等场景下处于各个能级的原子密度及总密度。公开号为cn101949852a的现有发明专利文献《一种基于光谱标准化的煤质在线检测方法》以经过光谱标准化后的原子特征谱线的强度为纵坐标，以原子特征谱线对应的元素的浓度作为横坐标，建立定标模型。对于未知成分的煤炭进行检测时，经过光谱标准化，根据定标模型即可得到待测元素的浓度。该方法把等离子体温度和电子密度，以及同一元素的离子原子密度比和玻尔兹曼定律考虑进来，从而达到补偿实验参数的波动，提高测量精度的目的。该现有专利文献通过光谱标准化方法进行libs定量化分析，以对煤质进行全元素分析，其从激光器出射出的激光经过聚焦透镜2聚焦后作用在定标煤样品3表面，在聚焦点产生等离子体，对于定标煤样中各元素的原子特征谱线，利用元素的离子原子密度比和玻尔兹曼定律，对原子特征谱线的原始强度进行标准化，可知，该现有技术仅考虑了考虑玻尔兹曼定律和离子密度原子密度比的变化，无法解决同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题，且该现有技术用于煤质元素测定，无法用于氦密度的反演。
4.综上，现有技术存在无法通过荧光信号反演氦密度且设备使用成本高的技术问
题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有技术无法通过荧光信号反演氦密度且设备使用成本高的技术问题。
6.本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法包括：
7.s1、设定氦原子单态能级数据，其中，氦原子单态能级数据包括：能级a、能级b、能级c以及能级d；
8.s2、设中性氦从能级c跃迁至能级d，获取c至d能级跃迁发射荧光频率以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数；
9.s3、以预置逻辑处理c至d能级跃迁发射荧光频率、c至d能级跃迁爱因斯坦系数及单位时间探测光强，据以得到无激光诱导c能级原子密度；
10.s4、基于激光诱导，设中性氦吸收预设频率的激光，以从所述能级a跃迁至所述能级b，在向低能级跃迁时，经过能级c向能级d跃迁，将荧光频率保持为c至d级跃迁发射荧光频率，以通过预置逻辑处理得到探测光强差值；
11.s5、获取探测光强差值与单位时间探测光强的比值，据以获取第一激光诱导原子密度比例关系；
12.s6、使用预置能量的激光器，将能级a上的原子全部激发至能级b，设能级a的原子密度为n
a0
，能级b到能级c跃迁的爱因斯坦系数为a
bc
，据以通过下述逻辑处理激光诱导b能级原子密度的增量nb，以得到能级c原子密度：
13.nc＝n
babc
＝n
a0abc
；
14.s7、设n1为局部热平衡下的基态(1s2)粒子密度，te为等离子体温度，g为简并度，e为能级能量，根据玻尔兹曼分布，以下述逻辑处理得到能级a原子密度：
[0015][0016]
s8、利用下述逻辑处理能级c原子密度、能级a原子密度、第一激光诱导原子密度比例关系以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数：
[0017][0018]
从能级表中读取ea、ec，通过测量得到i,i0,te，据以计算得到a
bc
；
[0019]
s9、根据无激光诱导能级c原子密度n
c0
，将i-i0和i0相比，以得到第二激光诱导原子密度比例关系：
[0020][0021]
以根据下述逻辑处理得到局部热平衡基态密度：
[0022]
[0023]
s10、根据玻尔兹曼分布，以下述逻辑处理各能级能量，以得到各能级原子密度：
[0024][0025]
将各能级原子密度求和得到总密度。
[0026]
本发明针对同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题，通过激光诱导荧光计算爱因斯坦系数，进而给出局部热平衡条件下四能级密度反演方法，结合氦原子能级数据表，可得到氦原子各能级密度和总密度，且易于推广，可应用到其他原子四能级反演问题中，对于氦原子其他四能级系统或其它元素的四能级系统同样适用。
[0027]
在更具体的技术方案中，步骤s2中，以下述逻辑处理c至d能级跃迁发射荧光频率以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数：
[0028][0029]
其中，n
c0
为c能级的密度，v0为探测体积，ω为探测立体角，k为光学系统透射率。
[0030]
在更具体的技术方案中，光学系统包括：收光镜筒和光电倍增管，其中，收光镜筒包括501.6nm滤光片，滤光片为窄带宽、高透射率滤光片。
[0031]
在更具体的技术方案中，步骤s3中，采用下述逻辑处理c至d能级跃迁发射荧光频率、c至d能级跃迁爱因斯坦系数及单位时间探测光强，以得到无激光诱导c能级原子密度：
[0032][0033]
在更具体的技术方案中，步骤s4中，以下述逻辑处理获取探测光强差值：
[0034][0035]
其中，nc为由于激光诱导c能级原子密度的增量。
[0036]
本发明通过激光诱导荧光，解决了同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题。
[0037]
在更具体的技术方案中，步骤s5中，以下述逻辑处理得到获取第一激光诱导原子密度比例关系：
[0038][0039]
在更具体的技术方案中，步骤s1到s3中排除激光入射，计算出当前c能级的原子密度，据以荧光诱导计算基态密度。
[0040]
在更具体的技术方案中，步骤s6中采用667.8nm的半导体激光器，以将能级a上的原子全部激发至能级b。
[0041]
本发明的入射激光可通过半导体激光器产生，相对染料激光器造价低。
[0042]
在更具体的技术方案中，步骤s5到s8中，通过将探测光强差值i-i0与第一单位时间探测光强i0相比，以消去未知的局部热平衡基态密度n1。
[0043]
本发明通过把i-i0和i0相比，将暂时未知的n1消去，根据能级能量和可测量量i,i0,te，计算出a
bc
，解决反演中的主要未知量问题，此方法也可应用到其他原子四能级反演问题中。
[0044]
在更具体的技术方案中，基于激光诱导荧光的氦原子密度反演系统包括：
[0045]
能级数据模块，用以设定氦原子单态能级数据，其中，氦原子单态能级数据包括：能级a、能级b、能级c以及能级d；
[0046]
被动光强获取模块，设中性氦从能级c跃迁至能级d，获取c至d能级跃迁发射荧光频率以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数，探测光强获取模块与能级数据模块连接；
[0047]
无激光诱导原子密度获取模块，用于以预置逻辑处理c至d级跃迁发射荧光频率、c至d级跃迁爱因斯坦系数及单位时间探测光强，据以得到无激光诱导能级c原子密度，能级c原子密度获取模块与被动光强获取模块连接；
[0048]
探测光强差值模块，用以基于激光诱导，设中性氦吸收预设频率的激光，以从能级a跃迁至能级b，在向低能级跃迁时，经过能级c向能级d跃迁，将荧光频率保持为c至d能级跃迁发射荧光频率，以通过预置逻辑处理得到探测光强差值，探测光强差值模块与能级数据模块连接；
[0049]
密度比例模块，用以获取探测光强差值与单位时间探测光强的比值，据以获取第一激光诱导原子密度比例关系，密度比例模块与探测光强差值模块及探测光强获取模块连接；
[0050]
能级c原子密度模块，用以使用预置能量的激光器，将能级a上的原子全部激发至能级b，设能级a的原子密度为n
a0
，能级b到能级c跃迁的爱因斯坦系数为a
bc
，据以通过下述逻辑处理激光诱导b能级原子密度的增量nb，以得到能级c原子密度，能级c原子密度模块与能级数据模块连接：
[0051]
nc＝n
babc
＝n
a0abc
；
[0052]
能级a原子密度模块，用以设n1为局部热平衡下的基态(1s2)粒子密度，te为等离子体温度，g为简并度，e为能级能量，根据玻尔兹曼分布，以下述逻辑处理得到能级a原子密度，能级a原子密度模块与能级数据模块连接：
[0053][0054]
爱因斯坦系数获取模块，用以利用下述逻辑处理c能级原子密度、能级a原子密度、第一激光诱导原子密度比例关系以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数：
[0055][0056]
从能级表中读取ea、ec，通过测量得到i,i0,te，据以计算得到a
bc
，爱因斯坦系数获取模块与能级c原子密度模块、能级a原子密度模块及密度比例模块连接；
[0057]
基态密度模块，用以根据无激光诱导能级c原子密度n
c0
，将i-i0和i0相比，以得到第二激光诱导原子密度比例关系：
[0058][0059]
以根据下述逻辑处理得到局部热平衡基态密度，基态密度模块与能级c原子密度模块及探测光强差值模块连接：
[0060][0061]
原子密度结果获取模块，用以根据玻尔兹曼分布，以下述逻辑处理各能级能量，以得到各能级原子密度：
[0062][0063]
将各能级原子密度求和得到总密度，原子密度结果获取模块与基态密度模块连接。
[0064]
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明针对同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题，通过激光诱导荧光计算爱因斯坦系数，进而给出局部热平衡条件下四能级密度反演方法，结合氦原子能级数据表，可得到氦原子各能级密度和总密度，且易于推广，可应用到其他原子四能级反演问题中，对于氦原子其他四能级系统或其它元素的四能级系统同样适用。
[0065]
本发明通过激光诱导荧光，解决了同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题。
[0066]
本发明的入射激光可通过半导体激光器产生，相对染料激光器造价低。
[0067]
本发明通过把i-i0和i0相比，将暂时未知的n1消去，根据能级能量和可测量量i,i0,te，计算出a
bc
，解决反演中的主要未知量问题，此方法也可应用到其他原子四能级反演问题中。本发明解决了现有技术中无法通过荧光信号反演氦密度及设备使用成本高的技术问题。
附图说明
[0068]
图1为本发明实施例1的基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法利用的氦原子能级示意图；
[0069]
图2为本发明实施例1的基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法流程示意图。
具体实施方式
[0070]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071]
实施例1
[0072]
如图1所示，单态能级1s2p用符号a表示，能级1s3d用符号b表示，能级1s3p用符号c表示，能级1s2s用符号d表示。通过667.8nm激光将氦原子从1s2p能级激发到1s3d能级，探测从能级1s3p到能级1s2s辐射的501.6nm荧光。
[0073]
如图2所示，步骤s101:设定氦原子单态能级，设中性氦从能级c跃迁至能级d，获取c至d级跃迁发射荧光频率以及c至d级跃迁爱因斯坦系数，处理单位时间探测光强；在本实施例中，氦原子反演中用到的单态各能级1s2p、1s3d、1s3p和1s2s分别用符号a、b、c和d表示，设中性氦从c能级向d能级跃迁时，发射的荧光频率ν
cd
，c能级到d能级跃迁的爱因斯坦系
数为a
cd
，无激光入射时，设单位时间探测到的荧光光强为i0，则：
[0074][0075]
其中，n
c0
为c能级的密度。探测体积v0、探测立体角ω、光学系统透射率k根据实验装置的实际条件代入。光学系统包括收光镜筒和光电倍增管，收光镜筒中应使用窄带宽、高透射率的501.6nm滤光片；
[0076]
步骤s102:求取c能级的原子密度；在本实施例中，c能级的原子密度可表示为：
[0077][0078]
在本实施例中，所述步骤s101到s102中无激光入射，先计算出此时的c能级的原子密度，有荧光诱导计算基态密度时需应用。
[0079]
步骤s103:考虑激光诱导，设中性氦吸收预设频率的激光，以从能级a跃迁至能级b，在向低能级跃迁时，经过能级c向能级d跃迁，将荧光频率保持为c至d级跃迁发射荧光频率，处理得到单位时间探测到的荧光光强；在本实施例中，考虑激光诱导，设中性氦吸收频率为ν的激光后，从a能级跃迁到b能级，向低能级跃迁时，经过c能级向d能级跃迁，荧光频率仍是ν
cd
。设单位时间探测到的荧光光强为i，则：
[0080][0081]
nc为由于激光诱导c能级原子密度的增量，若系统中使用锁相放大器，则探测光强无需再减去i0；
[0082]
步骤s104:获取探测光强差值与单位时间探测光强的比值，在本实施例中，把i-i0和i0相比得：
[0083][0084]
步骤s105:利用激光器对氦原子进行激光诱导，将氦原子激发至预设能级b，并处理得到能级c原子密度；在本实施例中，使用能量足够的667.8nm激光器，a能级上的原子全部激发至b能级。设a能级的原子密度为n
a0
，b能级到c能级跃迁的爱因斯坦系数为a
bc
，由于激光诱导b能级原子密度的增量为nb，则
[0085]
nc＝n
babc
＝n
a0abc
[0086]
激光器应配合波长计，以便在激光器波长不稳时及时调整；在本实施例中，步骤s105中要求，必须使用能量足够的激光器，将a能级上的原子全部激发至b能级。
[0087]
步骤s106:根据玻尔兹曼分布处理得到第一能级原子密度；在本实施例中，设n1为局部热平衡下的基态(1s2)粒子密度，te为等离子体温度，g为简并度(由于使用的是单态光谱，g为1)，e为能级能量，根据玻尔兹曼分布：
[0088][0089]
步骤s107:以下述逻辑计算爱因斯坦系数：
[0090][0091]
从能级表中读取ea、ec，通过测量得到i,i0,te，可计算出a
bc
，解决反演中的主要未知量问题，此方法也可应用到其他原子四能级反演问题中；
[0092]
步骤s108:计算局部热平衡下的基态密度，在本实施例中，再利用无激光诱导时计算出的n
c0
，重新把i-i0和i0相比：
[0093][0094]
可得局部热平衡下的基态密度。
[0095][0096]
步骤s109:计算各能级原子密度及总密度，在本实施例中，根据玻尔兹曼分布和各能级能量，可得各能级原子密度为
[0097][0098]
最后将各能级原子密度求和得到总密度。
[0099]
其中，单态各能级能量为
[0100]
[0101][0102]
通过波长为587.6nm的激光将氦原子从三态1s2p能级激发到1s3d能级，探测从能级1s3p到能级1s2s辐射的388.9nm荧光时，所需三态各能级能量为
[0103]
[0104]
[0105][0106]
综上，本发明针对同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题，通过激光诱导荧光计算爱因斯坦系数，进而给出局部热平衡条件下四能级密度反演方法，结合氦原子能级数据表，可得到氦原子各能级密度和总密度，且易于推广，可应用到其他原子四能级反演问题中，对于氦原子其他四能级系统或其它元素的四能级系统同样适用。
[0107]
本发明通过激光诱导荧光，解决了同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题。
[0108]
本发明的入射激光可通过半导体激光器产生，相对染料激光器造价低。
[0109]
本发明通过把i-i0和i0相比，将暂时未知的n1消去，根据能级能量和可测量量i,i0,te，计算出a
bc
，解决反演中的主要未知量问题，此方法也可应用到其他原子四能级反演问题中。本发明解决了现有技术中无法通过荧光信号反演氦密度及设备使用成本高的技术问题。
[0110]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。