本发明涉及光学计量技术领域。更具体地，涉及一种激光功率的量子测量方法。
背景技术
在激光加工、激光医疗、激光检测、基础科学研究等领域，对激光各项参数的精确测量要求越来越高，其中一项就是对激光功率的精密测量。目前的测量方法还主要集中在高精度探测器的研究上，其方法主要为直接对光功率进行测量，根据待测激光功率、波长等范围的不同，功率测量不确定度从0.01％到2％不等，即最优的测量不确定度仅达到10-4量级，已经远远不能满足精密测量需求。
因此，亟需从测量方法上进行改进，提出一种新的测量方法以突破直接测量光功率的精度局限。
技术实现要素：
基于以上背景技术，本发明提出的一种激光功率的量子测量方法，利用原子结构及原子频标系统，突破了现有的指标，实现1～2个量级的测量精度提高。理论上利用本方法，指标可以达到10-6量级甚至更优。该方法主要是结合了目前学术上精度最高的频率测量，将原本对光功率的直接测量，转换成对频率的测量，从而提高测量精度、提高光学计量精度。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光功率的量子测量方法，该方法包括：
测量原子频标系统正常工作时的输出频率ν1；
将特定波长的待测激光打入原子频标系统内的原子气室，与原子相互作用，测量此时原子频标系统的输出频率ν2；原子能级频移量为δν＝ν2-ν1；
根据光频移效应计算得到待测激光功率。
优选地，在标准二能级模型下，原子能级位移en’和激光功率p的关系如下：
其中
en’是激光作用时的下能级能量；
en是没有激光作用时的下能级能量；
hmn是基态到激发态的跃迁矩阵元，hmn＝<m|h|n>，h为系统哈密顿量；
p为入射激光功率
s为入射激光光斑面积；
is为原子跃迁饱和光强，对于特定的原子跃迁能级，is为常数；
ν0为没有激光干扰时能级跃迁频率；
ν为入射激光频率；
δ＝ν-ν0为激光与原子能级之间频率失谐量；δν＝ν2-ν1
γ表示上能级自然线宽；
利用此关系，当原子能级频移量精确测量后，计算得到入射激光功率。
所述原子能级位移en’和激光功率的关系，频移量可简化为：
其中δν为原子能级频移量的频率单位表示；
δi为激光与相应能级失谐量；
ai为原子相关系数；
对于固定激光失谐量和确定原子，频移量δν只与激光功率的一次方p和二次方p2有关系；根据该简化的对应关系计算出激光功率。
本发明进一步提供一种激光功率的量子测量方法，该方法包括：
测量原子频标系统正常工作时的输出频率；
将特定波长已知功率的标定激光打入原子频标系统内的原子气室，与原子相互作用，测量此时原子频标系统的输出频率，计算原子能级频移量；
改变标定激光的功率，测量其打入原子频标系统内的原子气室时原子频标系统的输出频率，计算原子能级频移量；
重复上一步，得到标定激光的激光功率-原子能级频移量曲线；
将待测激光打入原子频标系统内的原子气室，测量此时原子频标系统的输出频率，计算原子能级频移量；
在所得的激光功率-原子能级频移量曲线上根据待测激光的原子能级频移量找到对应的待测激光的激光功率；
所述待测激光的波长与标定激光的波长相同。
优选地，所述原子频标系统包括微波频标和光频标。
优选地，所述原子频标系统包括铷原子频标、铯原子频标、氢原子频标、钙原子光频标、锶原子光频标。
优选地，所述待测激光的激光频率与原子频标系统的原子能级跃迁频率有失谐量，以产生光频移效应。
本发明的有益效果如下：
本发明利用了原子特性及原子频标系统，将对激光功率的直接测量转变成对原子跃迁频率的测量，是原子光谱技术与光功率测量的结合，与现有的方法相比，具有原理上的创新。现有的测量方法可达到的测量精度受限，报道的最优值在10-4量级，不能满足日益增长的精密测量需求。本发明提高了测量精度，理论上可提高1～2个量级甚至更多，达到10-5至10-6量级。将提高对激光功率的测量能力、提高光学计量能力。本发明所用原子和原子频标系统，技术先进、专业性强。提出的测量方法是原理上的创新，技术颠覆性强。预期对激光功率的测量精度提升大，对行业发展有重要意义。所提出的方法原理清晰、具有可实现性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明一种激光功率量子测量方法流程框图。
图2为光频移效应说明图。
图3为一种激光功率量子测量方法实施例。
具体实施方式
为使本发明涉及的测量方法目的、技术方案和优点更加清楚，下面将依据本发明方法，结合具体实施例，进行说明与阐述。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做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。
本发明的具体测量方法如下：
利用原子频标系统中光频移的效应，测量特定波长的激光功率。首先搭建空间光路，原子频标系统正常工作；测量待测激光入射前，原子频标系统的输出频率ν1；将待测激光打入原子频标内的原子气室，与原子相互作用，测量此时系统的输出频率ν2；入射激光导致的原子级位频移量为δν＝ν2-ν1，根据原子级位频移量和激光频率的关系公式，带入相关参数，得到激光功率。其框图如图1所示。
其原理是：利用原子能级结构中，原子跃迁频率与泵浦激光功率之间的关系，通过精确测量在激光影响下原子的跃迁频率移动，推算出泵浦激光光强，再由激光功率与光强、光斑面积之间的关系，推算出激光功率。该方法利用了原子能级结构的性质，利用的是一种量子效应。由于对频率的测量已经达到世界上最高的精度，因此通过测量频率的方法测量激光功率，可以显著提高激光功率测量的精度。
所述光频移效应，即交流斯塔克效应，是原子频标系统中存在的一个量子效应。具体来讲，是指当一束激光与原子相互作用时，会引起原子能级的移动(或者说原子跃迁频率的变化)。进一步的，当激光频率小于原子对应能级的跃迁频率时，原子能级互相靠近；当激光频率等于原子对应能级的跃迁频率时，原子能级不变化；当激光频率大于原子对应能级的跃迁频率时，原子能级互相远离(参考图2)。
在入射激光波长确定时，原子能级的频移量与激光功率呈一一对应的关系。例如在标准二能级模型下，能级位移en’和激光频率ν的关系如下：
其中
所述原子频标系统，包括微波频标和光频标，例如铷原子频标、铯原子频标、氢原子频标、钙原子光频标、锶原子光频标，以及其它种类原子频标。这些原子频标均可独立闭环工作，输出5mhz、10mhz、6.8ghz或光频段的标准频率信号。
将待测激光打入原子频标系统，使激光对频标系统内原子产生影响。系统内原子能级发生位移，将引起频标系统输出信号的频率变化，经过测量后可以得到频率的偏移量。若改变待测激光功率，则还可以观测到原子频标系统输出频率随功率的变化情况，得到激光功率-原子能级频移量曲线，利用激光功率-原子能级频移量曲线即可方便的测量该特定波长的激光功率，具体方法如下：
一种激光功率的量子测量方法，该方法包括：
测量原子频标系统正常工作时的输出频率；
将特定波长已知功率的标定激光打入原子频标系统内的原子气室，与原子相互作用，测量此时原子频标系统的输出频率，计算原子能级频移量；
改变标定激光的功率，测量其打入原子频标系统内的原子气室时原子频标系统的输出频率，计算原子能级频移量；
重复上一步，得到标定激光的激光功率-原子能级频移量曲线；
将待测激光打入原子频标系统内的原子气室，测量此时原子频标系统的输出频率，计算原子能级频移量；
在所得的激光功率-原子能级频移量曲线上根据待测激光的原子能级频移量找到对应的待测激光的激光功率；
所述待测激光的波长与标定激光的波长相同。
通常对待测激光的频率有要求，激光频率需要与原子跃迁频率有一定失谐量，以产生光频移效应。
进一步地，所述能级位移和激光频率的关系，在特定条件下可以简化，例如在激光功率较弱、频率失谐量较大时，频移量可简化为
其中δν为能级频移量的频率单位表示(说明：en’为能级的能量单位表示)，δi为激光与相应能级失谐量，ai为原子相关系数。对于固定激光失谐量和确定原子，频移量δν只与激光功率的一次方p和二次方p2有关系。简化的对应关系可以更快地给出测量结果。
所述特定条件中的较弱激光功率，通常为在激光光斑1cm2时，功率小于106mw量级；或者说激光光强小于106mw/cm2(激光光强为激光功率与激光光斑面积之比)。所述频率失谐量较大，通常认为δi>10γ时，即满足条件。
所述待测激光，其线宽和频率稳定度，会影响功率测量的精度，对于当前预期的10-6测量精度，以铷原子频标为例，初步计算表明对待测激光线宽的要求为2khz以内，可测量的激光功率范围为60mw至106mw(激光光斑1cm2)。
如图3所示，一种激光功率量子测量方法实施例，利用铷原子频标测量795nm激光功率，包括：待测795nm激光，铷原子频标、频率比对器、频率参考信号。首先铷原子频标正常工作时，输出10mhz标准频率信号，通过与稳定度和准确度更高的频率参考信号比对，在频率比对器上可以得到铷原子频标输出信号的准确值(例如10.00000001mhz)，记录此频率值为ν1。打入待测795nm激光，记录频率比对器上的频率值ν2。ν1与ν2之差即为输出频标信号的频率变化量。经过计算得到原子能级的实际位移量，再带入前述公式，得到激光功率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。