CN104062608A - 一种serf原子自旋磁强计光位移消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，其针对光位移影响SERF原子自旋磁强计灵敏度测量这一问题，提出基于二向色性理论的光位移测量及消除方法。本发明弥补缺乏有效测量、监测和消除光位移方法的不足，同时为提升SERF原子自旋磁强计灵敏度提供保障。

Description

一种SERF原子自旋磁强计光位移消除方法

技术领域

本发明涉及一种SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，属于光学检测及弱磁探测技术领域。

背景技术

SERF原子自旋磁强计(以下简称原子磁强计)因其超高的理论灵敏度成为国外各军事强国争先研制的项目。原子磁强计是以超精细能级原子跃迁为基础，工作在弱磁环境下的磁场测量装置，它主要包括：抽运光系统、检测光系统、磁场屏蔽和磁场补偿系统、无磁电加热系统以及碱金属气室等。

在光和外磁场的作用下，原子能级会发生塞曼效应(Zeemaneffect)和斯塔克效应(Starkeffect)从而使得其跃迁频率偏离抽运光频率，产生光位移(LightShift)，光位移仅由圆偏振光引起，线偏振光不会引起光位移。在原子磁强计中光位移等效为一个虚拟磁场，它携带抽运激光功率、频率等信息：

上式中，BLS为抽运光产生的光位移、re为电子半径、c为光速、f为震荡强度、为光通量与抽运激光功率P及频率ν有关、γe为电子旋磁比、ν0为谐振峰处对应的频率、s为光子自旋。由于抽运激光器的不稳定性导致光功率、频率波动，光位移会将这些波动以噪声形式输出，成为抽运光系统中重要误差来源之一，极大限制SERF原子自旋磁强计的灵敏度。

光位移普遍存在于原子器件中，譬如原子钟、原子频标等，目前针对上述两种原子器件国外学者曾提出许多行而有效的光位移消除方法，例如，采用单模激光器来产生多模激光，再使这些多模激光产生大小相等但方向相反的光位移，这样各方向光位移相互抵消即可达到消除目的；再有利用可调微波来激发气室中的碱金属原子，锁定谐振峰处的频率，并调节激光器频率来消除光位移，然而，这些方法都不适用于SERF原子自旋磁强计。

发明内容

发明目的：本发明提出一种SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，消除光位移。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，其特征在于，包括：

对磁屏蔽筒内的剩磁进行磁补偿，将三个方向的磁场均补偿至接近零值，使剩磁不影响后续的测量；

将检测激光器发出的检测光分为相互垂直的两束，一束与抽运光同向共线，在经过碱金属气室后，抽运光与该束检测光分开，该束检测光被光电探测器接收，抽运光被中性滤波片吸收；

另一束检测光与抽运光在碱金属气室内正交后，被光电探测器接收；

在抽运光方向施加锯齿波扫场，使用函数：

$y=a\·\frac{k^2+{(x+b)}^2}{k^2+c^2+d^2+{(x+b)}^2}+e$

上式中，y为z轴光电探测器30探测到的光强信号，是已知量，x为z轴方向磁场B_z，a为系数b为z轴方向光位移L_z、c为x轴方向磁场B_x、d为y方向磁场B_y，拟合出光位移值b；

改变抽运光频率，重复上述四个步骤，即得到同一功率不同频率下的光位移值b，并根据下式拟合同一功率不同频率下的光位移曲线：

$B_{\mathrm{LS}}=\frac{-\mathrm{\π}{r}_e\mathrm{cf\Φ}}{{\mathrm{\γ}}^e}\mathrm{Im}\left[V\right(\mathrm{\ν}{-\mathrm{\ν}}_0\left)\right]s$

上式中，B_LS为抽运光产生的光位移、r_e为电子半径、c为光速、f为震荡强度、为光通量与抽运激光功率P及频率ν有关、γ^e为电子旋磁比、ν₀为谐振峰处对应的频率、s为光子自旋；

找出光位移为零时的抽运光频率，并将抽运光调至该频率，即可消除光位移。

优选地，利用三维原位磁补偿方法，进行磁场补偿。

优选地，所述抽运光采用铯原子D₁线，波长894nm；所述检测光采用铯原子D₂线，波长852nm。

优选地，所述检测光被偏振分光棱镜分为两束。

优选地，同向共线的抽运光和检测光由二向色镜分开，同向共线的抽运光和 检测光由二向色镜分开。

优选地，在抽运光方向施加-500～500nT的锯齿波扫场。

有益效果：本发明弥补了现有原子磁强计缺乏有效测量、监测和消除光位移方法的不足，降低了抽运光系统的误差，提高了SERF原子自旋磁强计的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)光路调节。图1中，位于z轴的抽运激光器9发出铯原子D₁线(894nm)，即抽运光；位于x轴的检测激光器11发出铯原子D₂线(852nm)，即检测光。抽运光经第一起偏器8和波片7变成圆偏振光并沿z方向传播，检测光经第二起偏器12后变成线偏振光。

起偏后的检测光被偏振分光棱镜13分成两束线偏振光，其中一束沿x方向与抽运光正交于碱金属气室2内部，最后被x轴光电探测器3接收；而另一束经全反射镜10和第一二向色镜6(允许D₁线透射，D₂线反射)与抽运光同向共线。在光场和磁场的作用下碱金属气室2内的原子发生能级跃迁，进而使抽运光产生光位移，而所有检测光的光位移为零。共线的抽运光和检测光在碱金属气室2的后端被第二二向色镜15(允许D₂线透射，D₁线反射)分开，抽运光被反射后由中性滤波片16吸收，检测光透射过去被z轴光电探测器30接收。

2)系统准备。碱金属气室2一般都放置在磁屏蔽筒内，然而磁屏蔽筒并不能完全屏蔽外部磁场，所以需要对其进行补偿，将磁屏蔽筒内的剩磁补偿至接近零值。开启位于碱金属气室2外的无磁电加热装置1，将碱金属气室2内部加热至170℃左右，根据x轴光电探测器3的输出信号，根据三维原位磁补偿方法，利用三维补偿线圈14将B_x、B_y、B_z补偿至接近零值。所谓接近零值是指碱金属气室2内的剩磁不影响后续的测量。

3)z轴方向光位移的测量。磁补偿结束后，在z方向施加-500nT～500nT 的锯齿波扫场。

4)数据处理。记录下一个扫场周期内的响应曲线，并记录下此时的抽运激光器频率和功率。z方向光电探测器接收到的信号包含有z方向光位移信息，通过函数：

$y=a\·\frac{k^2+{(x+b)}^2}{k^2+c^2+d^2+{(x+b)}^2}+e---\left(2\right)$

上式中，y为z轴光电探测器30探测到的光强信号，是已知量，x为z轴方向磁场B_z，a为系数b为z轴方向光位移L_z、c为x轴方向磁场B_x、d为y方向磁场B_y，因此可通过拟合可以得到光位移值b。

5)改变激光器频率，重复上述(1)～(4)步骤，可以得到同一功率不同频率下的光位移值。

6)根据公式(1)拟合同一功率不同频率下的光位移，找到光位移为零时的激光频率，并将激光调至该频率，即可达到消除光位移的目的。

Claims (5)

1.一种SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，其特征在于，包括：

对磁屏蔽筒内的剩磁进行磁补偿，将三个方向的磁场均补偿至接近零值，使剩磁不影响后续的测量；

将检测激光器发出的检测光分为相互垂直的两束，一束与抽运光同向共线，在经过碱金属气室后，抽运光与该束检测光分开，该束检测光被光电探测器接收，抽运光被中性滤波片吸收；

另一束检测光与抽运光在碱金属气室内正交后，被光电探测器接收；

在抽运光方向施加锯齿波扫场，使用函数：

$y=a\·\frac{k^2+{(x+b)}^2}{k^2+c^2+d^2+{(x+b)}^2}+e$

上式中，y为z轴光电探测器30探测到的光强信号，是已知量，x为z轴方向磁场B_z，a为系数b为z轴方向光位移L_z、c为x轴方向磁场B_x、d为y方向磁场B_y，拟合出光位移值b；

改变抽运光频率，重复上述四个步骤，即得到同一功率不同频率下的光位移值b，并根据下式拟合同一功率不同频率下的光位移曲线：

$B_{\mathrm{LS}}=\frac{-\mathrm{\π}{r}_e\mathrm{cf\Φ}}{{\mathrm{\γ}}^e}\mathrm{Im}\left[V\right(\mathrm{\ν}{-\mathrm{\ν}}_0\left)\right]s$

上式中，B_LS为抽运光产生的光位移、r_e为电子半径、c为光速、f为震荡强度、为光通量与抽运激光功率P及频率ν有关、γ^e为电子旋磁比、ν₀为谐振峰处对应的频率、s为光子自旋；

找出光位移为零时的抽运光频率，并将抽运光调至该频率，即可消除光位移。

2.根据权利要求1所述的SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，其特征在于，所述抽运光采用铯原子D₁线，波长894nm；所述检测光采用铯原子D₂线，波长852nm。

3.根据权利要求1所述的SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，其特征在于，所述检测光被偏振分光棱镜分为两束。

4.根据权利要求1所述的SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，其特征在于，同向共线的抽运光和检测光由二向色镜分开。

5.根据权利要求1所述的SERF原子自旋磁强计光位移消除方法，其特征在于，在抽运光方向施加-500～500nT的锯齿波扫场。