CN104730484B - 一种原子自旋磁强计serf态的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种原子自旋磁强计无自旋交互弛豫态(Spin‑Exchange Relaxation Free Regime，SERF态)的判定方法，通过线宽测试判断磁强计是否处于SERF态。本发明明确了原子磁强计实现SERF态必需的前提条件，阐述了SERF态的判定方法，为提升原子自旋磁强计磁场测量灵敏度提供理论依据和指导方向，此方法亦可用于SERF原子自旋陀螺仪的无自旋交互弛豫态的判定。

Description

一种原子自旋磁强计SERF态的判定方法

技术领域

本发明涉及一种原子自旋磁强计SERF态的判定方法，属于弱磁探测及导航定位技术领域。

背景技术

自旋交互光抽运技术是一种实现原子极化的通用技术，它与光电检测技术共同促进了超高灵敏磁场测量装置的发展。近年来，基于自旋交互理论的原子磁强计备受瞩目。原子自旋磁强计最显著的特征之一是其工作在无自旋交互弛豫态(Spin-ExchangeRelaxation Free Regime,SERF)下，SERF态与普通光抽运相比，不仅使原子自旋弛豫时间大幅度增长，而且原子自旋相干也相应提升。与此同时，由于高温使原子密度数增大，从而提升了电子自旋对磁场的敏感度。总之，工作在SERF态下的磁强计可以提高整个测量系统的信噪比。

2002年，美国普林斯顿大学Romalis小组在试验中偶然发现了SERF原子自旋磁强计，并成功实现15fT/Hz^1/2的磁场测量灵敏度，但并未从理论上分析SERF态所需的前提条件。哈尔滨工程大学的张军海等人在39℃时实现了Cs原子磁强计0.3pT/Hz^1/2的磁场测量灵敏度，但是磁强计并未工作在SERF态。

SERF态的实施可以有效提升原子自旋精密测量能力，因此，明确原子自旋磁强计实现SERF态所需条件以及判定方法尤为重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种原子自旋磁强计SERF态的判定方法，为提升原子自旋磁强计磁场测量灵敏度提供理论依据和指导方向。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出一种原子自旋磁强计SERF态的判定方法，包括如下步骤：

(1)光抽运使原子自旋极化；

(2)通过无磁电加热装置将碱金属气室加热到170-190℃；；

(3)待碱金属气室温度稳定后，通过三维磁补偿线圈将筒内三方向剩磁补偿至近零值；

(4)求解光抽运功率值为零时的线宽，若线宽为HZ量级，则判定原子自旋磁强计处于SERF态，否则判定其处于非SERF态。

优选地，碱金属气室加热到180℃。

优选地，筒内三方向剩磁补偿至近零值的具体实现方法为：

(1)在Z方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节X方向偏置磁场，当示波器上输出信号经历了由大到小再由小到大，且最小值前后波形翻转这一过程后，根据输出信号最小值处的偏置磁场大小将X方向剩余磁场补偿至近零值；

(2)在Z方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节Y方向偏置磁场，当示波器上输出信号经历了由大到小再由小到大，且最小值前后波形翻转这一过程后，根据输出信号最小值处的偏置磁场大小将Y方向剩余磁场补偿至近零值；

(3)在X方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节Z方向偏置磁场，当示波器上输出信号经历了由大到小再由小到大，且最小值前后波形翻转这一过程后，根据输出信号最小值处的偏置磁场大小将Z方向剩余磁场补偿至近零值；

(4)在X方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节Y方向偏置磁场，当示波器上输出信号经历了由大到小再由小到大，且最小值前后波形翻转这一过程后，根据输出信号最小值处的偏置磁场大小将Y方向剩余磁场补偿至近零值。

光抽运功率值为零时的线宽的具体求解过程为：

(1)设置抽运光功率和施加在y方向上的驱动磁场，然后调节斩波器频率，记录下每一个频率点对应的锁相放大器的信号输出值，再根据公式(7)对频率与输出值进行拟合，并由拟合的曲线方程得到与此抽运光功率对应的线宽：

其中，f(x)为锁相放大的信号输出，x为频率，a、c均为拟合系数，b为共振频率，w为此抽运光功率下的线宽；

(2)重复运行步骤(1)，根据公式(8)对功率与线宽进行拟合，并由拟合的曲线方程得到光抽运功率值为零时的线宽：

g(k)＝d*k²+Δω (8)

其中，g(k)为功率，k为线宽，d为拟合系数，Δω为磁强计线宽。

优选地，求解光抽运功率值为零时的线宽时，所述步骤(1)中向y方向施加22PT的驱动磁场。

优选地，求解光抽运功率值为零时的线宽时，所述步骤(1)记录了20对频率点和输出值进行频率与输出值拟合。

优选地，求解光抽运功率值为零时的线宽时，所步骤(2)重复运行了步骤(1)20次，得到20对光抽运功率和线宽进行功率与线宽拟合。

有益效果：本发明提供的原子自旋磁强计无自旋交互弛豫态的判定方法明确了原子磁强计实现SERF态必需的前提条件，阐述了SERF态的判定方法，为提升原子自旋磁强计磁场测量灵敏度提供理论依据和指导方向，此方法亦可用于SERF原子自旋陀螺仪的无自旋交互弛豫态的判定。

附图说明

图1为原子自旋磁强计的结构示意图，其中：1—检测激光器；2—真空烤箱；3—三维磁补偿线圈；4—四分之一波片；5—起偏器；6—扩束器；7—斩波器；8—抽运激光器；9—四分之一波片；10—光弹调制器；11—检偏器；12—光电探测器；13—碱金属气室；14—中性滤波片；15—四层磁屏蔽筒；16—PBS；

图2为原子自旋磁强计SERF态实现条件与判定方法；

图3为不同磁场环境下实现SERF态所需温度的曲线图；

图4为将碱金属气室加热到180℃的实施范例结果，其中4(a)为某单一功率下频率-输出曲线，4(b)为不同功率下线宽-功率曲线曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，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价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实施例采用钾原子自旋磁强计，图1为原子自旋磁强计的结构示意图，抽运光沿z方向传播，检测光沿x方向传播，且两束光正交于碱金属气室；抽运光经四分之一波片后为圆偏振光，透过气室的抽运光被中性滤波片吸收；检测光为线偏振光，透过气室的检测光信号被光电探测器接收后传输至锁相放大器；四层磁屏蔽筒用于衰减外界环境磁场。

光抽运使原子自旋发生极化，这是实现SERF态的前提条件之一，它可以通过磁强计动力学方程来描述：

其中，为碱金属电子自旋极化率，Q(P^e)为核自旋减速因子，³⁹K原子在低极化率和高极化率条件下Q(P^e)分别对应于6和4，为磁屏蔽筒内沿的剩余磁场，和分别为z和x方向的单位矢量，R_p为抽运率，R_m为不纯的线偏振光产生的抽运率，为总的电子弛豫率，R_sd为自旋破坏弛豫率。

一般来说，弛豫时间包括纵向弛豫时间T₁与横向弛豫时间T₂，纵向弛豫时间T₁可以表示为：

其中，R_wall为泡壁碰撞弛豫率，Q(P^e)为核自旋减速因子。由于纵向弛豫不仅会改变电子自旋的总强度大小，也会改变电子自旋的横向投影分量大小，因此它可以直接影响横向弛豫时间T₂。当抽运光指向量子化主轴Z方向，检测激光与抽运光互相垂直时，整个原子自旋系综主要受横向弛豫时间影响，横向弛豫时间T₂可以表示为：

其中，为自旋交互展宽因子，I为核自旋量子数，R_se为自旋交互弛豫率，R_gr为由于碱金属气室内部磁场梯度造成的展宽，与和R_se相比R_gr是一个极小量。

原子自旋SERF态一般是指碱金属原子的电子自旋处于无自旋交换弛豫态，电子自旋自旋交换弛豫率远小于纵向弛豫率(纵向弛豫时间的倒数1/T₁)也就是说，原子自旋处于SERF态的最显著特征之一即是抑制了自旋交互弛豫，根据式(3)和式(4)可知，此时那么：

即纵横弛豫时间T₁与横向弛豫时间T₂近似相等。

不同磁场环境下实现SERF态(即T₁＝T₂时)所需温度如图3所示，可以看出在其他条件不变而剩磁不同的情况下，随着剩磁的不断增大，实现SERF态所需温度越高，具体的：剩磁在0.1nT时，实现SERF态所需温度约为130℃；剩磁在1nT时，实现SERF态所需温度约为180℃；剩磁在10nT时，实现SERF态所需温度约为240℃。同时也看出，剩磁在1nT时(实现温度约为180℃)，SERF态的横向弛豫时间T₂约为0.08s，而在普通光抽运下(实现温度约为25℃)，横向弛豫时间T₂约为2.1×10^-3s。换句话说，SERF态下横向弛豫率(横向弛豫时间的倒数1/T₂)为Hz量级，而在普通光抽运条件下横向弛豫率为KHz或是MHz量级，这可以作为判定是否处于SERF态的原则。由于SERF原子自旋磁强计实际上测量的是在磁场作用下的原子基态的塞曼能级分裂，那么，这种分光测量的线宽是可以通过原子自旋的横向弛豫率来表征的：

其中，Δω为线宽，γ^e＝2π×2.8MHz/G为电子旋磁比。由此可见，通过实验测试磁强计线宽即可得到横向弛豫率，从而判定磁强计是否处于SERF态。

如图2所示，原子自旋磁强计SERF态的判定方法，具体包括如下步骤：

(1)通过中心波长为钾原子D1线的激光抽运使原子自旋极化；

(2)通过无磁电加热装置将碱金属气室加热到180℃；

(3)待碱金属气室温度稳定后，利用三维磁补偿线圈采交叉调制方法将筒内三方向剩磁补偿至近零值，补偿过程具体为：

(3.1)在Z方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节X方向偏置磁场，观察示波器输出信号波形，当信号经历了由大到小再由小到大且最小值前后波形翻转这一过程，此信号最小值即表明已将X方向剩余磁场补偿至近零值。然后，以同样的方法补偿Y方向剩余磁场。

(3.2)在X方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节Z方向偏置磁场，观察示波器输出信号波形，当信号经历了由大到小再由小到大且最小值前后波形翻转这一过程，此信号最小值即表明已将Z方向剩余磁场补偿至近零值。然后，以同样的方法补偿Y方向剩余磁场。

(4)求解光抽运功率值为零时的线宽，若线宽为HZ量级，则判定原子自旋磁强计处于SERF态，否则判定处于非SERF态；

(4.1)在某一功率条件下，在y方向施加一个22pT的驱动磁场，随后调节斩波器的频率，与此同时，记录下每一个频率点对应的锁相放大器的信号输出值，根据下式拟合频率与输出曲线：

其中，f(x)为锁相放大的信号输出，x为频率，a、c均为拟合系数，b为共振频率，w为此功率下的线宽，为了提高频率与输出曲线的拟合精度，我们记录了20对频率点和输出值。

(4.2)改变抽运光功率值，重复步骤(4.1)，根据下式将各功率下的线宽与功率值进行拟合：

g(k)＝d*k²+Δω (8)

其中，g(k)为功率，k为线宽，d为拟合系数，Δω为磁强计线宽，功率值为0时的线宽即为最终所求线宽，为了提高线宽与功率曲线的拟合精度，我们对20个光抽运功率和对应的线宽进行拟合。

碱金属气室加热到180℃的实施结果如图4所示，由频率与输出曲线和线宽与功率曲线可以得到，在180℃时钾原子磁强计的线宽约为4Hz，且自旋交互时间约为3μs，由此说明自旋交互已被抑制，此时原子自旋磁强计处于SERF态。

Claims (7)

1.一种原子自旋磁强计SERF态的判定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)光抽运使原子自旋极化；

(2)通过无磁电加热装置将碱金属气室加热到170-190℃；

(3)待碱金属气室温度稳定后，通过三维磁补偿线圈将四层磁屏蔽筒内三方向剩磁补偿至近零值；

(4)求解光抽运功率值为零时的线宽，若线宽为Hz量级，则判定原子自旋磁强计处于SERF态，否则判定其处于非SERF态。

2.如权利要求1所述的原子自旋磁强计SERF态的判定方法，其特征在于，所述步骤(2)中碱金属气室加热到180℃。

3.如权利要求1所述的原子自旋磁强计SERF态的判定方法，其特征在于，所述步骤(3)中筒内三方向剩磁补偿至近零值的具体实现方法为：

(1)在Z方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节X方向偏置磁场，当示波器上输出信号经历了由大到小再由小到大，且最小值前后波形翻转这一过程后，根据输出信号最小值处的偏置磁场大小将X方向剩余磁场补偿至近零值；

(2)在Z方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节Y方向偏置磁场，当示波器上输出信号经历了由大到小再由小到大，且最小值前后波形翻转这一过程后，根据输出信号最小值处的偏置磁场大小将Y方向剩余磁场补偿至近零值；

(3)在X方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节Z方向偏置磁场，当示波器上输出信号经历了由大到小再由小到大，且最小值前后波形翻转这一过程后，根据输出信号最小值处的偏置磁场大小将Z方向剩余磁场补偿至近零值；

(4)在X方向施加-100nT～100nT磁场，同时调节Y方向偏置磁场，当示波器上输出信号经历了由大到小再由小到大，且最小值前后波形翻转这一过程后，根据输出信号最小值处的偏置磁场大小将Y方向剩余磁场补偿至近零值。

4.如权利要求1所述的原子自旋磁强计SERF态的判定方法，其特征在于，所述步骤(4)中光抽运功率值为零时的线宽的具体求解过程为：

(1)设置抽运光功率和施加在y方向上的驱动磁场，然后调节斩波器频率，记录下每一个频率点对应的锁相放大器的信号输出值，再根据公式(7)对频率与输出值进行拟合，并由拟合的曲线方程得到与此抽运光功率对应的线宽：

$f\left(x\right)=a/\sqrt{{(x-b)}^2+{\mathrm{\ω}}^2}+c---\left(7\right)$

其中，f(x)为锁相放大器的信号输出，x为频率，a、c均为拟合系数，b为共振频率，w为此抽运光功率下的线宽；

(2)重复运行步骤(1)，根据公式(8)对功率与线宽进行拟合，并由拟合的曲线方程得到光抽运功率值为零时的线宽：

g(k)＝d*k²+Δω (8)

其中，g(k)为功率，k为线宽，d为拟合系数，Δω为磁强计线宽。

5.如权利要求4所述的原子自旋磁强计SERF态的判定方法，其特征在于，所述步骤(1)中向y方向施加22pT的驱动磁场。

6.如权利要求4所述的原子自旋磁强计SERF态的判定方法，其特征在于，所述步骤(1)记录了20对频率点和输出值进行频率与输出值拟合。

7.如权利要求4所述的原子自旋磁强计SERF态的判定方法，其特征在于，所述步骤(2)重复运行了步骤(1)20次，得到20对光抽运功率和线宽进行功率与线宽拟合。