CN103744034B - 一种提高cpt原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法。该方法是恒温下将弱磁场探头置于待测磁场中；调节激光器控制电路，保持激光波长稳定，且保持激光波长与碱金属原子基态能级共振；将二分之一波片、偏振分束棱镜垂直置于激光，调节二分之一波片光轴与激光偏振的角度；将四分之一波片垂直于两束平行激光；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，平行激光的偏振分别变为左旋圆偏振和右旋圆偏振；两个光电转换器件对左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光探测，将探测到的光强值经减法器相减，经数据采集处理设备采集、信号处理，得到待测磁场的磁感应强度。本发明的优点是操作简单、灵敏度高、精度高。

Description

一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法

技术领域

本发明属于弱磁测量技术领域，涉及一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法，用于提高CPT(CoherentPopulationTrapping)原子磁力仪的灵敏度和绝对精度。

背景技术

在现代科技中，微弱磁场的探测是一项非常重要的技术。目前，原子磁力仪作为主要的微弱磁场探测仪器之一，种类主要有质子磁力仪、光泵磁力仪、CPT磁力仪等等，其中有的灵敏度较高，但绝对精度较差，有的具有高绝对精度，但灵敏度较低，无法同时保证磁力仪的灵敏度和绝对精度性能。现有的应用于原子磁力仪的技术中，没有可以同时提高灵敏度和绝对精度的技术方法，传统的差分方法由于使用含有磁场信息和不含有磁场信息的两个信号相减，只能提高原子磁力仪的灵敏度，无法提高其绝对精度。

发明内容

为了克服现有原子磁力仪无法同时保证高灵敏度和高绝对精度的问题，本发明提供了一种用于同时提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法。这种差分方法通过使用两个均含有磁场信息的信号相减，可以同时优化CPT原子磁力仪的灵敏度和绝对精度性能。

本发明的工作机理是：在待测磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，分裂情况与待测磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若激光频率与分裂的碱金属原子基态能级完全共振，则碱金属原子对激光的吸收率最低，测量透射光强大小与激光频率的关系可以得到待测磁场大小。受非磁场因素的影响，在同一待测磁场下，由偏振正交的两束圆偏振光测量到的透射光强与激光频率的关系存在差异，若将这两个信号进行差分，不仅可以消除共模噪声，提高仪器灵敏度，还可以去除非磁场因素对测量磁场的影响，提高仪器的绝对精度。

CPT原子磁力仪包括激光光源、弱磁场探头、信号探测器；激光光源、弱磁场探头、信号探测器通过激光光路连接；

所述的激光光源由半导体激光器、激光器控制电路、二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片构成；

激光器控制电路控制半导体激光器发射出激光，激光依次透过二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片、弱磁场探头；

所述的激光控制电路由电流源、温度控制器、微波源、信号发生器构成，其中电流源与温度控制器直接控制半导体激光器，信号发生器的输出信号用于调制微波源，经过调制后的微波信号由微波源输出给半导体激光器。

所述的弱磁场探头由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成；

所述的信号探测器由两个光电转换器件、减法器、数据采集处理设备构成；

两个光电转换器件采集透过弱磁场探头的光束的电信号，然后传递给减法器、数据采集处理设备处理。

本发明对CPT原子磁力仪的调节方法具体是：

步骤(1).保持恒温状态下，将弱磁场探头置于待测磁场中；

步骤(2).调节激光光源：

调节激光器控制电路中电流源、温度控制器、微波源、信号发生器，保持半导体激光器发射出的激光波长稳定，且使得半导体激光器发射出的激光波长与弱磁场探头中碱金属原子基态能级共振；将二分之一波片、偏振分束棱镜均垂直置于激光光束方向；激光波长均在所选的二分之一波片与偏振分束棱镜的波长范围内；调节二分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器发射出的一束激光经偏振分束棱镜分开后形成的两束平行激光光强相等；将四分之一波片垂直于两束平行激光的传播方向；激光波长均在所选的四分之一波片的波长范围内；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得两束平行激光的偏振分别变为左旋圆偏振和右旋圆偏振；调节弱磁场探头的位置，使左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光透过弱磁场探头；

步骤(3).调节信号探测器：

两个光电转换器件分别对透过弱磁场探头的左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件探测到的光强值与信号发生器输出信号频率的关系，关系如公式(1)、公式(2)：

$Y_1=\frac{k}{\mathrm{\π}}\[\frac{\mathrm{\υ}}{{(X-f_0+\mathrm{\Δ}f)}^2+{\mathrm{\υ}}^2}\]+N_c\left(X\right)---\left(1\right);$

$Y_2=\frac{k}{\mathrm{\π}}\[\frac{\mathrm{\υ}}{{(X-f_0-\mathrm{\Δ}f)}^2+{\mathrm{\υ}}^2}\]+N_c\left(X\right)---\left(2\right);$

其中，Y₁与Y₂为两个光电转换器件探测到的光强值，X为信号发生器输出信号频率，π是圆周率，k为比例系数，是定值，υ为信号线宽，对于恒定温度下的包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡9，υ也为定值，N_c(X)为共模噪声，Δf为非磁场因素引起的碱金属原子的能级分裂，f₀为由待测磁场引起的碱金属原子的能级分裂，其关系如公式(3)：

f₀＝γ·B(3)；

其中，γ为定值。

将光电转换器件探测到的光强值经过减法器相减，得到两个光电转换器件探测到的光强差值ΔY，如公式(4)：

ΔY＝Y₁-Y₂(4)；

然后经数据采集处理设备采集、信号处理，根据公式(1)、(2)、(4)，求解ΔY＝0时X对应的值f₀，最后根据公式(3)得到待测磁场的磁感应强度B。

传统的CPT磁力仪的方法是利用一束激光得到公式(1)或者公式(2)中的关系，通过求Y₁或Y₂为极值时X对应的值f₀，根据公式(3)得到待测磁场的磁感应强度B。根据公式(1)或公式(2)可知，Y₁或Y₂为极值时X对应的值f₀不仅受到共模噪声N_c(X)的影响，灵敏度较差，还受到非磁场因素引起的碱金属原子的能级分裂Δf的影响，绝对精度也较差。

利用本发明方法后，通过求解ΔY＝0得到X对应的值f₀，根据公式(3)得到待测磁场的磁感应强度B。根据公式(4)可知，ΔY中不包含共模噪声N_c(X)的影响，同时，求解ΔY＝0得到X对应值f₀的方法也避免了非磁场因素引起的碱金属原子的能级分裂Δf的影响。因此，本发明同时提高了灵敏度和绝对精度。

对于传统的CPT磁力仪，可以不采用信号发生器调制微波源的方式，但对于本发明方法，需要使用信号发生器调制微波源的方式。

本发明的优点是：一、操作简单，仅需操作CPT原子磁力仪中的激光光源、弱磁场探头和信号探测器三个部分；二、提高灵敏度，这是由于差分方法去除了共模噪声；三、提高绝对精度，这是由于差分方法去除了非磁场因素对测量磁场的影响。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的详细流程示意图；

图3为本发明激光控制电路的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的分析。

在待测磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，分裂情况与待测磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若激光频率与分裂的碱金属原子基态能级完全共振，则碱金属原子对激光的吸收率最低，测量透射光强大小与激光频率的关系可以得到待测磁场大小。受非磁场因素的影响，在同一待测磁场下，由偏振正交的两束圆偏振光测量到的透射光强与激光频率的关系存在差异，若将这两个信号进行差分，不仅可以去除共模噪声，提高仪器灵敏度，还可以去除非磁场因素对测量磁场的影响，提高仪器的绝对精度。

如图1所示，CPT原子磁力仪包括激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3；激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3通过激光光路连接；

如图2所示，所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、二分之一波片6、偏振分束棱镜7、四分之一波片8构成；

如图3所示，激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次透过二分之一波片6、偏振分束棱镜7、四分之一波片8、弱磁场探头2；

所述的激光控制电路5由电流源13、温度控制器14、微波源15、信号发生器16构成，其中电流源13与温度控制器14直接控制半导体激光器4，信号发生器16的输出信号用于调制微波源15，经过调制后的微波信号由微波源输出给半导体激光器4。

所述的弱磁场探头2由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡9构成；

所述的信号探测器3由两个光电转换器件10、减法器11、数据采集处理设备12构成；

两个光电转换器件10采集透过弱磁场探头2的光束的电信号，然后传递给减法器11、数据采集处理设备12处理。

具体调节CPT原子磁力仪的差分方法是：

实施例中弱磁场探头2碱金属原子采用铷-87原子，铷原子饱和蒸汽的玻璃泡9尺寸为Φ15×20mm，将其周围均匀加热且恒温至45℃，并置于待测磁场中。在使用过程中，先开启激光器控制电路5，其中电流源13使用美国Agilent公司生产的型号为B2912A的电流源，温度控制器14使用美国Thorlab公司生产的型号为TED200C的温度控制器，微波源15使用美国Agilent公司生产的型号为E8267D的微波源，信号发生器16使用中国普源公司生产的型号为DG4162的信号发生器，调节激光二极管的电流为1.3mA，温度为60℃，使半导体激光器4的波长稳定至794.984nm；将适用波长为794.984nm的二分之一波片6和偏振分束棱镜7垂直置于激光光束方向，调节二分之一波片6的相对角度至43°，使得由偏振分束棱镜7分开的两束平行激光光强相等；将适用波长为794.984nm的四分之一波片8垂直置于两束平行激光方向，调节四分之一波片8的相对角度至84°，使得两束偏振正交的线偏振平行激光变为两束偏振正交的圆偏振激光；调节铷原子饱和蒸汽的玻璃泡9的位置，使两束平行圆偏振激光纵向通过铷原子饱和蒸汽的玻璃泡9，并使用两个高灵敏度硅光电二极管10分别对两束平行圆偏振激光进行探测，将两个高灵敏度硅光电二极管10探测采集到的信号输入给减法器11相减，相减后的信号输入给数据采集处理设备12中锁相放大器进行相敏检测，并将锁相放大器的输出信号输入计算机进行采集、处理和最终输出。

上述提到的高灵敏度硅光电二极管10为光电转换器件10。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1).保持恒温状态下，将弱磁场探头置于待测磁场中；

步骤(2).调节CPT原子磁力仪中的激光光源：

激光光源由半导体激光器、激光器控制电路、二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片构成；

首先调节激光器控制电路中电流源、温度控制器、微波源、信号发生器，保持半导体激光器发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器发射出的激光波长与弱磁场探头中碱金属原子基态能级共振；将二分之一波片、偏振分束棱镜均垂直置于激光光束方向；调节二分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器发射出的一束激光经偏振分束棱镜分开后形成的两束平行激光光强相等；将四分之一波片垂直于两束平行激光的传播方向；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得两束平行激光的偏振分别变为左旋圆偏振和右旋圆偏振；调节弱磁场探头的位置，使左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光透过弱磁场探头；

步骤(3).调节CPT原子磁力仪中的信号探测器：

信号探测器由两个光电转换器件、减法器、数据采集处理设备构成；

两个光电转换器件分别对透过弱磁场探头的左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件探测到的光强值与信号发生器输出信号频率的关系，关系如公式(1)、公式(2)：

$Y_1=\frac{k}{\mathrm{\π}}\[\frac{\mathrm{\υ}}{{(X-f_0+\mathrm{\Δ}f)}^2+{\mathrm{\υ}}^2}\]+N_c\left(X\right)---\left(1\right);$

$Y_2=\frac{k}{\mathrm{\π}}\[\frac{\mathrm{\υ}}{{(X-f_0-\mathrm{\Δ}f)}^2+{\mathrm{\υ}}^2}\]+N_c\left(X\right)---\left(2\right);$

其中，Y₁与Y₂为两个光电转换器件探测到的光强值，X为信号发生器输出信号频率，π是圆周率，k为比例系数，是定值，υ为信号线宽，对于恒定温度下的包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡，υ也为定值，N_c(X)为共模噪声，Δf为非磁场因素引起的碱金属原子的能级分裂，f₀为由待测磁场引起的碱金属原子的能级分裂，其关系如公式(3)：

f₀＝γ·B(3)；其中，γ为定值；

将光电转换器件探测到的光强值经过减法器相减，得到两个光电转换器件探测到的光强差值ΔY，如公式(4)：

ΔY＝Y₁-Y₂(4)；

然后经数据采集处理设备采集、信号处理，根据公式(1)、(2)、(4)，求解ΔY＝0时X对应的值f₀，最后根据公式(3)得到待测磁场的磁感应强度B。

2.如权利要求1所述的一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法，其特征在于弱磁场探头由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成。

3.如权利要求1所述的一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法，其特征在于激光波长在二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片的波长范围内。