CN103558566A

CN103558566A - 一种高灵敏度全光铯原子磁力仪

Info

Publication number: CN103558566A
Application number: CN201310553842.5A
Authority: CN
Inventors: 刘强; 孙伟民; 张军海; 孙宇丹; 付天舒; 刘东明
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度全光铯原子磁力仪，属于一种原子磁力仪。该磁力仪有一磁屏蔽筒，磁屏蔽筒内放置有Cs原子气室，在Cs原子气室周围放置三轴亥姆霍兹线圈；磁屏蔽筒上分别设有泵浦光口、检测光口和出射光口；Cs原子气室为长方体，其中4个用于通过检测光形成反射的表面除检测光的入射光和出射光局部均镀上保偏膜，另外两个用于通过泵浦光的表面不镀膜；检测光激光器发射的检测光经偏振片和小孔光阑进入Cs原子气室，在气室各表面经多次反射后出射，出射光的偏振面将旋转一个角度，Cs原子气室中放入1滴Cs和100Torr的He气和20Torr的N₂气，工作于常温下。优点：结构简单，不需对其进行加热，仍能保持较高的灵敏度。

Description

一种高灵敏度全光铯原子磁力仪

技术领域

本发明属于一种原子磁力仪，具体是一种高灵敏度全光铯原子磁力仪。

背景技术

原子磁力仪的基本原理是采用一束光极化碱金属原子，并采用另一束光检测被极化原子自旋在检测光方向的分量，实现极微弱磁场检测。这项技术涵盖了激光与原子的相互作用，光在各向异性介质中的传输，激光光谱学等方向，是一种弱磁场的光学测量方法，被美国麻省理工学院《Technology Review》杂志评为未来几年对我们的生活和社会产生重大影响的十大新兴技术之一，具有重要的研究价值。

弱磁检测技术的应用领域非常广泛，主要包括地质调查、油气和矿产资源勘察，地震预报，医学领域的心磁、脑磁测量，考古，金属材料无损检测，空间探测，查找定位水下光缆，以及军事领域的磁异常探测和地磁匹配导航等。

不同的应用领域决定了磁探测设备的技术指标，目前已经产品化的高灵敏度磁力仪主要包括磁通门磁力仪、质子磁力仪、光泵磁力仪和超导磁力仪。超导磁力仪是目前应用的测磁灵敏度最高的仪器，接近1fT/Hz^1/2，但这种磁力仪需要工作在4K的低温条件下，导致其系统庞大维护费用较高，因此目前主要用于医学和考古领域。2003年，美国普林斯顿大学物理系Romalis教授带领的课题组在Nature上报道了一种高灵敏度无自旋交互弛豫(SERF)钾原子磁力仪，测磁灵敏度达到0.54fT/Hz^1/2，并且这种磁力仪结构简单、更易于小型化使其成为近年的研究热点。

全光Cs原子磁力仪的工作过程可分成三部分，如图2所示：（1）圆偏振泵浦光极化Cs原子，极化方向沿泵浦光的传播方向；（2）被极化的原子绕着磁场的方向作拉莫进动；（3）线偏振光检测被极化的原子在检测光方向上的投影，偏振面产生旋转。检测光偏振面旋转角q为

Figure 2013105538425100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

其中：l指泵浦光与检测光交叉区长度，c指光速，r_e 指经典电子半径，n指粒子数密度，f_D 指振子强度，P_x 指原子极化在检测光方向的投影，L(n)指洛伦兹线型。

原子磁力仪的灵敏度可表示为

（2）

其中：DB指原子磁力仪信号的线宽，S/N指偏振面旋转角检测的信号与噪声之比。提高原子磁力仪的灵敏度的直接方法是减小磁力仪线宽，同时增大系统信噪比。由式（1）可知，提高Cs原子气室工作温度可使粒子数密度n显著增加，输出信噪比增大。然而Cs原子粒子数增加会导致自旋破坏碰撞和自旋互换碰撞几率的增大，使原子磁力仪特性曲线的线宽增加。因此，由式（2）可知存在最佳的工作温度，使磁力仪灵敏度达到最优值。

原子气室是原子磁力仪的核心器件，通常在气室中充入适量的缓冲气体，作用是：(1) 避免被极化的原子与气室内壁碰撞导致的原子退极化；(2) 利用压致增宽效应使碱金属原子超精细结构的D1线F_g =3和F_g =4不可分辨。但充入缓冲气体也会导致原子与缓冲气体分子碰撞产生自旋破坏碰撞，使原子磁力仪共振谱线增宽，降低灵敏度。目前报道的原子磁力仪中，通常将He作为缓冲气体，碱金属原子可以选择钾(K)、铷(Rb)和铯(Cs)，但不同的碱金属原子D1线超精细结构的能级间隔不同，这将在一定程度上影响充入He气的量。例如，Romalis课题组采用过直径是2.5cm，充入几个atm（1atm≈760Torr）的He和30Torr N₂(N₂用于猝灭荧光)的K原子球形气室；充入2.9atm的He和60Torr的N₂的T型(3´4´3cm)K原子气室；充入3atm的He和60Torr的N₂的球形K原子气室（直径2.3cm）；采用5´5´5mm的⁸⁷Rb原子气室，充入300Torr的He和100Torr的N₂。Budker课题组采用过边长是2cm的立方体Cs原子气室，充入600Torr的He和30Torr的N₂。我们目前采用直径为3cm的球形Cs原子气室，气室中充入约100Torr的缓冲气体He。由此可见，缓冲气体的压强值对原子磁力仪的影响很大。2008年Seltzer的博士论文中计算了缓冲气体对磁力仪线宽的影响，2010年Ryuzo Kawabata研究了光泵磁力仪中的最优缓冲气体条件，在常温下将圆柱形Cs原子气室中充入不同压强值（1Torr，10Torr，50Torr，300Torr，1000Torr）的各种缓冲气体（氦，氖，氩，氮），讨论对磁力仪灵敏度的影响。但最优压强值受调制射频场的影响，仅适用于光泵磁力仪，同时仅考虑常温情况。

经过近几年的发展，原子磁力仪在国外取得长足进展，在常温下灵敏度较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种高灵敏度全光铯原子磁力仪，在常温下具有较高的灵敏度。

本发明是以如下技术方案实现的：一种高灵敏度全光铯原子磁力仪，包括磁屏蔽筒，磁屏蔽筒内放置有Cs原子气室，在Cs原子气室周围放置三轴亥姆霍兹线圈；磁屏蔽筒上分别设有泵浦光口、检测光口和出射光口；泵浦光口外侧对应设有泵浦光激光器以及对泵浦光的幅度进行方波调制的电光调制器，泵浦光激光器的频率锁定在Cs原子D1线F_g =3→F_e =4共振线处；检测光口外侧对应设有检测光激光器，检测光激光器的频率锁定在Cs原子D2线F_g =4→F_e =5共振线处，被调制的泵浦光经扩束器进行扩束后，采用偏振片和λ/4波片变成圆偏振光照射Cs原子气室；出射光口外侧对应设有检测装置；检测装置检测圆二向色性介质导致的偏振光的偏振面旋转，经转换电路后做差、放大、滤波后，利用锁相放大器测量输出信号；所述的Cs原子气室为长方体，其中4个用于通过检测光形成反射的表面除检测光的入射光和出射光局部均镀上保偏膜，另外两个用于通过泵浦光的表面不镀膜；检测光激光器发射的检测光经偏振片和小孔光阑进入Cs原子气室，在气室各表面经多次反射后出射，出射光的偏振面将旋转一个角度，检测光偏振面旋转角q为

（1）

其中：l指泵浦光与检测光交叉区长度，c指光速，r_e 指经典电子半径，n指粒子数密度，f_D 指振子强度，P_x 指原子极化在检测光方向的投影，L(n)指洛伦兹线型；

Cs原子气室中放入1滴Cs和100Torr的He气和20Torr的N₂气，工作于常温下。

其进一步是：所述的泵浦光激光器采用外腔半导体激光器，波长为894.6nm。

所述的检测光激光器采用DFB半导体激光器，波长为852.3nm。

所述的磁屏蔽筒采用三层磁屏蔽筒。

本发明的有益效果是：（1）采用全新的Cs原子气室结构，当光通过Cs原子气室后，可通过气室内表面的反射使检测光多次与气室内的原子作用，相当于增加了泵浦光与检测光交叉区长度l值，从而使旋转角q增大，有效提高原子磁力仪的信噪比，进而提高其灵敏度；（2）结构简单，不需对其进行加热，仍能保持较高的灵敏度。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是原子磁力仪原理图。

图中：1、磁屏蔽筒，2、检测光口，3、检测光激光器，4、泵浦光激光器，5、扩束器，6、泵浦光口，7、三轴亥姆霍兹线圈，8、Cs原子气室，9、出射光口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种高灵敏度全光铯原子磁力仪有一磁屏蔽筒1，磁屏蔽筒1内放置有Cs原子气室8，在Cs原子气室8周围放置三轴亥姆霍兹线圈7；磁屏蔽筒1上分别设有泵浦光口6、检测光口2和出射光口9；泵浦光口6外侧对应设有泵浦光激光器4以及对泵浦光的幅度进行方波调制的电光调制器，泵浦光激光器4的频率锁定在Cs原子D1线F_g =3→F_e =4共振线处；检测光口外侧对应设有检测光激光器3，检测光激光器3的频率锁定在Cs原子D2线F_g =4→F_e =5共振线处，被调制的泵浦光经扩束器5进行扩束后，采用偏振片和λ/4波片变成圆偏振光照射Cs原子气室；出射光口9外侧对应设有检测装置；检测装置检测圆二向色性介质导致的偏振光的偏振面旋转，经转换电路后做差、放大、滤波后，利用锁相放大器测量输出信号；所述的Cs原子气室为长方体，其中4个用于通过检测光形成反射的表面除检测光的入射光和出射光局部均镀上保偏膜，另外两个用于通过泵浦光的表面不镀膜；检测光激光器发射的检测光经偏振片和小孔光阑进入Cs原子气室，在气室各表面经多次反射后出射，出射光的偏振面将旋转一

个角度，检测光偏振面旋转角q为

本实施例中，泵浦光选用外腔半导体激光器（LD1），波长为894.6nm，采用饱和吸收谱（SAS）技术将频率锁定在Cs原子D1线F_g =3→F_e =4共振线处，采用电光调制器（EO-AM）对泵浦光的幅度进行方波调制。被调制的泵浦光经扩束器（LBE）进行扩束后，采用偏振片和λ/4波片变成圆偏振光照射Cs原子气室。

Cs原子气室由长方体组成，其中A面、B面、C面、D面的内表面均镀上保偏膜（在检测光的入射光和出射光局部不镀膜），另外两个面E面和F面不镀膜，气室摆放时要求使泵浦光照射E面，从F面出射光照射黑体，避免反射光的影响。Cs原子气室中放入1滴Cs和100Torr的He气和20Torr的N₂气，工作于常温下。磁屏蔽筒采用三层磁屏蔽筒，在Cs原子气室周围放置三轴亥姆霍兹线圈，可产生任意方向待测磁场。

检测光选用DFB半导体激光器（LD2），波长为852.3nm，采用饱和吸收谱（SAS）技术将其锁定在Cs原子D2线F_g =4→F_e =5共振线处。检测光经偏振片和小孔光阑进入Cs原子气室，在气室各表面经多次反射后出射，出射光的偏振面将旋转一个角度。多次反射可增加检测光与被极化原子的作用长度，从而有效增加偏振面的旋转角，即提高输出信号幅度。

检测装置由λ/4波片和PBS组成，检测圆二向色性介质导致的偏振光的偏振面旋转，经过由光电二极管（PD1和PD2）组成的转换电路后做差、放大、滤波后，利用锁相放大器测量输出信号，从而实现磁场的测量，同时评价原子磁力仪的灵敏度。

工作过程：Cs原子气室置于三层磁屏蔽筒中，气室内充入100Torr的He缓冲气体，亥姆霍兹线圈在y方向产生待测磁场。泵浦光选用输出波长为894.6nm的外腔半导体激光器，采用饱和吸收谱技术可将频率锁定在Cs原子D1线的F=3®F¢=4超精细共振线处，经准直扩束后采用电光调制器（EO-AM）对光强进行方波调制。被调制的泵浦光进入磁屏蔽筒后，经偏振片和λ/4波带片将其变成圆偏振光极化Cs原子。检测光选用波长为852.3nm的外腔半导体激光器，利用饱和吸收谱将激光器频率锁定在Cs原子D2线F=4→F¢=5共振线处，经偏振片后变成线偏振光通过Cs原子气室检测介质的圆二向色性，出射后由λ/4和PBS组成的光学系统进行检测，经光电转换、放大、做差、滤波后送入锁相放大器和示波器，实现磁场测量，同时估算原子磁力仪的灵敏度。

Claims

1. 一种高灵敏度全光铯原子磁力仪，包括磁屏蔽筒（1），磁屏蔽筒（1）内放置有Cs原子气室（8），在Cs原子气室（8）周围放置三轴亥姆霍兹线圈（7）；磁屏蔽筒（1）上分别设有泵浦光口（6）、检测光口（2）和出射光口（9）；泵浦光口（6）外侧对应设有泵浦光激光器（4）以及对泵浦光的幅度进行方波调制的电光调制器，泵浦光激光器（4）的频率锁定在Cs原子D1线F_g =3→F_e =4共振线处；检测光口外侧对应设有检测光激光器（3），检测光激光器（3）的频率锁定在Cs原子D2线F_g =4→F_e =5共振线处，被调制的泵浦光经扩束器（5）进行扩束后，采用偏振片和λ/4波片变成圆偏振光照射Cs原子气室；出射光口（9）外侧对应设有检测装置；检测装置检测圆二向色性介质导致的偏振光的偏振面旋转，经转换电路后做差、放大、滤波后，利用锁相放大器测量输出信号；其特征在于：所述的Cs原子气室为长方体，其中4个用于通过检测光形成反射的表面除检测光的入射光和出射光局部均镀上保偏膜，另外两个用于通过泵浦光的表面不镀膜；检测光激光器发射的检测光经偏振片和小孔光阑进入Cs原子气室，在气室各表面经多次反射后出射，出射光的偏振面将旋转一个角度，检测光偏振面

旋转角q为

Figure 2013105538425100001DEST_PATH_IMAGE002

2. 根据权利要求1所述的一种高灵敏度全光铯原子磁力仪，其特征在于：所述的泵浦光激光器（4）采用外腔半导体激光器，波长为894.6nm。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度全光铯原子磁力仪，其特征在于：所述的检测光激光器（3）采用DFB半导体激光器，波长为852.3nm。

4. 根据权利要求1-3任一项所述的一种高灵敏度全光铯原子磁力仪，其特征在于：所述的磁屏蔽筒（1）为三层磁屏蔽筒。