CN105068025B - 基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于原子量子效应的磁力测量装置，区别于现有的测量磁场强度的装置，本发明是利用高激发态原子在微弱外磁场作用下的塞曼效应导致的能级分裂，通过精确控制超窄线宽激光器的激发频率，测量磁场作用下基于电磁感应透明光谱信号的分裂。通过分裂的宽度可以计算出待测的磁场的强度。由于弱磁场塞曼效应导致的原子磁子能级的多重分裂是线性的，因此拟合多个分裂峰值的宽度的测量结果可以实现对所测量磁场的强度的自校准。这种新型的磁力计可以实现灵敏度达到小于0.1T的磁场强度测量，随着激光频率线宽的进一步压缩可以有效提高测量精度。重要的是本发明所测量的磁场强度可以有效溯源至原子的跃迁频率，具有很好的测量准确度和自校准特性。

Description

基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法及装置

技术领域

本发明涉及微弱磁场场强测量技术，具体为一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置和方法。

背景技术

磁场测量是对磁场有关参数的测量技术,主要测量对象有：磁场强度、磁通密度等。测量恒定磁场的方法以及校准设备的主要有以下几种：利用磁场的力效应而制成的力矩磁强计、通过磁通计、检流计利用冲击法测量软磁材料的磁通密度、磁通门磁强计、霍尔效应磁强计及核磁共振磁强计、旋转线圈磁强计等等。磁场强度的精确测量的应用范围广泛,对于测量数字设备表面或内部的磁场，防止其磁场的干扰,以及进行现有传感器和测试设备的校准方面具有广泛的应用。对于现有的磁场测量方法和装置存在测量灵敏度不高，对外界环境要求高，磁强计结构复杂、占用空间较大等问题。此外，这些传感器在参考测量设备中的校准耗费很高，而且这些测量方法的误差大多为0.1％—1％之间。同时传统的测量技术在测量范围上也受到局限,较好的高精度空间磁通门磁力计，也只能测到<1T的稳定或低频交变磁场。因此发展新型的磁力计一直以来都是磁场测量领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明为解决目前磁力测量装置灵敏度不高且测量误差较大的技术问题，提供一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法及装置。

本发明所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法是采用以下技术方案实现的：一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法，包括如下步骤：(a)、将一束探测光分成两束强度相同的平行光后均入射至内部充有碱金属原子的原子气室内，两束探测光与碱金属原子作用后又从原子气室另一侧透射并同时被平衡探测器探测，获得无多普勒背景的信号；(b)、引入一束耦合光入射至原子气室且与其中一束探测光反向共线；所述探测光中心波长与碱金属原子的基态到第一激发态的跃迁共振，耦合光中心波长与碱金属原子的第一激发态到高激发态的跃迁共振；(c)、扫描耦合光频率，平衡探测器就可以获得关于探测光的电磁感应透明光谱；(d)、将原子气室置于待测磁场表面，如果在激光经过的路线上存在外磁场，碱金属原子的各能级就会在磁场的作用下分裂成相应的磁子能级；这样就可能存在多个能级跃迁组合，原本单个EIT光谱峰就会分裂为多个子EIT光谱峰；通过标定子EIT光谱的峰值对应的能级跃迁组合，就可以计算出子EIT峰值之间的间隔，即可以计算出在磁场强度作用B下，参与EIT效应的各能级分裂的大小；用此方法可以通过测量各个子峰值之间的分裂，从而推导出磁场强度B。

本发明所述方法的工作原理如下：高激发态(Rydberg)原子通常指外层一个电子被激发到高量子态(主量子数n很大)的原子。高激发态原子具有原子半径大、自然寿命长、能级间隔小、极化率高、对外界磁场特别敏感等特点，且高激发态态能级跃迁频率在微弱磁场作用下非常明显，故非常适用于对磁场的测量。

塞曼效应是指原子光谱线在外磁场中发生的分裂。原子外层的电子的轨道磁矩和自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，因此原子在磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。在无外磁场时，原子在两个能级E₁和E₂(E₁<E₂)之间跃迁的能量差为：

ΔE＝hv＝E₂-E₁

如果只考虑电子的磁矩对原子总磁矩的贡献，那么磁场引起的附加能量为：

ΔU＝-μ·B＝-μ_zB＝m_Jg_Jμ_BB

这里将磁感应强度B的方向取为z轴方向，μ_Z是磁矩在z方向上的投影。m_J是电子总角动量J在z方向投影的量子数，可以取-J,-J+1,…J-1,J共2J+1个值，g_J是电子总角动量的朗德因子，μ_B是玻尔磁子。

这样，原子的每一个能级分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃迁的能量差为：

ΔE′＝hv′＝E′₂-E′₁＝E₂-E₁+(m_2Jg_2J-m_1Jg_1J)μ_BB

原子总角动量F＝I+J,J＝L+S，本发明中选用基态,F＝4,激发态,F＝5,进行测量(针对碱金属原子)。由于每一谱线会分裂成m_F＝2F+1条谱线。由于跃迁的选择定则，参与跃迁的两个磁子能级的磁量子数必须满足：Δm＝0，+1，-1。对于Δm＝+1，原子在磁场方向上的角动量减少了一个由于原子和光子的角动量之和守恒，因此吸收的光子具有与磁场方向相同的角动量方向与电矢量旋转方向构成右手螺旋，称为σ⁺偏振，是左旋偏振光。反之，对于Δm＝-1，原子在磁场方向的角动量增加了一个光子具有与磁场方向相反的角动量方向与电矢量旋转方向构成左手螺旋，称为σ^-偏振，是右旋偏振光。对于Δm＝0，原子在磁场方向的角动量不变，称为π偏振。如果沿磁场方向观察，只能观察到σ⁺和σ^-谱线的左旋偏振光和右旋偏振光，观察不到π偏振的谱线。因此在本方法中通过观察σ⁺偏振和σ^-偏振光的吸收情况来进行测量。

电磁感应透明(EIT)是指在激光场作用下，量子态之间发生的量子相干效应。例如使用探测光(probe light)共振于碱金属原子基态和激发态，探测光与共振于碱金属原子激发态到高激发态的强耦合光(coupling light)相对穿过原子气室，共同作用在原子气室中的碱金属原子上，构成一个三能级系统。当扫描强耦合光时，探测弱探测光可以获得电磁感应透明光谱。当原子气室置于待测磁场表面，在激光经过的路线上存在外磁场，原子系统中的三个能级的简并度会被破坏，三个能级将会在磁场作用下分别分裂成相应的磁子能级，也就是说原有的三能级系统可以分裂成多个三能级跃迁组合，满足跃迁选择定则理论的跃迁组合可以对应多个数目的子EIT光谱；如图3所示。能级分裂导致的磁子能级移动满足的公式如下：

Δ＝Bμ_Bg_F。

各个满足跃迁选择定则的磁子能级可以构成多个阶梯型三能级系统，实验中可以获得相应数目的子EIT光谱，可以通过理论计算标定EIT光谱的峰值的频率找出对应的跃迁组合，根据峰值位置计算出的峰值间隔宽度是三个能级总的能级移动，即由上述公式表示的能级移动之和，因此根据上式可以推导出磁场强度B。

进一步的，步骤(d)在测量获得多个不同的能级跃迁组合的光谱后，对多个峰值间隔进行测量拟合，可以对所测量的磁场进行自校准。

如图5所示，测量多个跃迁组合的峰值间隔进行拟合，就可以获得磁场的多个测量值，因为测量值对于所有的跃迁组合的作用均是线性的，因此可以对所测量的磁场进行校准。由于测量的分裂宽度与原子跃迁线的精度相联系，因此基于这种量子相干效应的测量的精度和溯源性有很大提高。

进一步的，碱金属原子为铯原子，探测光中心波长为852nm，耦合光的中心波长为510nm。

原子气室内充铯(¹³³Cs)原子，探测光共振于铯原子基态(6S_1/2，F＝4)到激发态(6P_3/2，F’＝5)，探测光与一束共振于铯原子激发态(6P_3/2，F’＝5)到高激发态(47D_5/2)的耦合光(coupling light)相对穿过原子气室，共同作用在气室中的原子上，当扫描强耦合光时，探测弱探测光可以获得电磁感应透明光谱。气室置于待测磁场表面，如果在激光经过的路线上存在外磁场，原系统中简并的三个能级会被破坏，三个能级将会在磁场作用下分裂成相应的磁子能级。对于铯原子(6S_1/2，F＝4)→(6P_3/2，F’＝5)→(47D_5/2)三个能级磁子能级的能量移动由如下公式确定：

对于高激发态，这里只考虑总角动量J。磁场作用下分裂的各磁子能级可以构成多个阶梯型三能级系统，存在不同的能级跃迁组合(如图3)。相对应的可以获得多个子EIT光谱；图4是实验获得的铯原子的EIT光谱，图4中的1、2、3、4、5、6各代表一个子EIT光谱；通过标定EIT光谱的峰值对应的跃迁组合，计算出分裂间隔的宽度，从而推导出磁场强度B。如测量出1、2之间的分裂间隔，该分裂间隔包含了对应于子EIT光谱1的跃迁组合发生的能级移动以及对应于子EIT光谱2的跃迁组合发生的能级移动；因此根据测量出的1、2之间的分裂间隔就可以获得关于这两个子EIT光谱的能级移动总和，而这两个子EIT光谱的能级移动公式以及相关的参数都是已知的(除了待测磁场B)，这样就可以反推出待测磁场B。

本发明所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置是采用如下技术方案实现的：一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置，包括探测激光器、顺次位于探测激光器出射光路上的第一1/2玻片以及第一PBS分光棱镜；第一PBS分光棱镜的反射光路上设有饱和吸收光谱稳频装置，饱和吸收光谱稳频装置的信号输出端与探测激光器的电压控制端口相连接；第一PBS分光棱镜的透射光路上顺次设有第二1/2玻片、第二PBS分光棱镜、内充碱金属原子且侧壁上设有入射窗口和出射窗口的原子气室以及平衡探测器；原子气室位于第二PBS分光棱镜的透射光路上；第二PBS分光棱镜的反射光路上设有第一反射镜；第一反射镜的反射光路与第二PBS分光棱镜的透射光路平行并穿过原子气室；还包括耦合光激光器，耦合光激光器的出射光路上设有移频装置，移频装置的出射光路上顺次设有凸透镜和第二反射镜，第二反射镜的反射光路上设有位于原子气室和平衡探测器之间的双色反射镜；双色反射镜的反射光路与第二PBS分光棱镜的透射光路反向重合；所述探测激光器出射的探测光中心波长与碱金属原子的基态到第一激发态的跃迁共振，耦合光激光器出射的耦合光中心波长与碱金属原子的第一激发态到高激发态的跃迁共振；所述双色反射镜能反射耦合光并使探测光透射。

本发明是一种基于原子量子效应的磁力测量装置，区别于现有的测量磁场强度的装置，本发明是利用高激发态原子在微弱外磁场作用下的塞曼效应导致的能级分裂，通过精确控制超窄线宽激光器的激发频率，测量磁场作用下基于电磁感应透明(EIT)光谱信号的分裂。通过分裂的宽度可以计算出待测的磁场的强度。由于弱磁场塞曼效应导致的原子磁子能级的多重分裂是线性的，因此拟合多个分裂峰值的宽度的测量结果可以实现对所测量磁场的强度的自校准。这种新型的磁力计可以实现灵敏度达到小于0.1T的磁场强度测量，随着激光频率的线宽的进一步压缩可以有效提高测量精度。重要的是本发明所测量的磁场强度可以有效溯源至原子的跃迁频率，因此具有很好的测量准确度和自校准特性。

附图说明

图1是本发明所述的基于高激发态原子EIT效应高灵敏磁场强度探测装置结构示意图。

图2是本发明所述的原子气室的结构示意图。原子气室为长方形结构，两个通光面(即入射窗口和反射窗口)为0度852nm和510nm高透射率镀膜处理。

图3为所述的两步线偏振激光激发高激发态原子的跃迁组合以及磁场作用下高激发态能级分裂的示意图。

图4为在一定磁场强度下测得的EIT分裂光谱。图中箭头标注的是理论计算的相应跃迁组合对应的峰值位置。

图5为实验所测得的磁场强度与子EIT峰值间距线性关系示意图。δ₁₆表示图4中箭头标注的1、6两峰的间隔。其它标注也遵循同样的定义方法。图中黑点代表在不同磁场条件下实际测量值，实线代表理论值，由图中可以看出采用本发明获得的结果与理论值符合的非常好。

1-探测激光器，2-第一1/2玻片，3-第一PBS分光棱镜，4-饱和吸收光谱稳频装置，5-第二1/2玻片，6-第二PBS分光棱镜，7-第一反射镜，8-原子气室，9-平衡探测器，10-耦合光激光器，11-窄线宽稳频装置，12-移频装置，13-凸透镜，14-第二反射镜，15-双色反射镜，16-0度双波长增透膜。

具体实施方式

一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置，包括探测激光器1、顺次位于探测激光器1出射光路上的第一1/2玻片2以及第一PBS分光棱镜3；第一PBS分光棱镜3的反射光路上设有饱和吸收光谱稳频装置4，饱和吸收光谱稳频装置4的信号输出端与探测激光器1的电压控制端口相连接；第一PBS分光棱镜3的透射光路上顺次设有第二1/2玻片5、第二PBS分光棱镜6、内充碱金属原子且侧壁上设有入射窗口和出射窗口的原子气室8以及平衡探测器9；原子气室8位于第二PBS分光棱镜6的透射光路上；第二PBS分光棱镜6的反射光路上设有第一反射镜7；第一反射镜7的反射光路与第二PBS分光棱镜6的透射光路平行并穿过原子气室8；还包括耦合光激光器10，耦合光激光器10的出射光路上设有移频装置12，移频装置12的出射光路上顺次设有凸透镜13和第二反射镜14，第二反射镜14的反射光路上设有位于原子气室8和平衡探测器9之间的双色反射镜15；双色反射镜15的反射光路与第二PBS分光棱镜6的透射光路反向重合；所述探测激光器1出射的探测光中心波长与碱金属原子的基态到第一激发态的跃迁共振，耦合光激光器10出射的耦合光中心波长与碱金属原子的第一激发态到高激发态的跃迁共振；所述双色反射镜15能反射耦合光并使探测光透射。

原子气室8内充有铯原子蒸汽；探测激光器1出射的探测光中心波长约为852nm；耦合激光器10出射的耦合激光中心波长约为510nm；双色反射镜15能使波长为852nm的光透射并反射波长为510nm的光。

耦合激光器10的电压控制端连接有窄线宽稳频装置11进行频率锁定。

原子气室8呈长方体结构，入射窗口和出射窗口设在原子气室8相对的两个侧面上且均采用0度双波长增透膜16镀膜处理。

平衡探测器9的两个探头同时接收两路平行探测光的信号，并将两路信号做减法，从而得到电磁感应透明光谱，分析该光谱就可以获得待测磁场的信息。

具体测量时，将探测激光(852nm)由探测激光器1射出，经第一1/2玻片2与第一PBS分光棱镜3分成两束光，一束用来进入饱和吸收光谱稳频装置4获得稳频信号反馈回探测激光器1，另外一束光经过第二1/2波片5与第二PBS分光棱镜6分为两束相同的平行光，经过充有铯原子的原子气室8到达平衡探测器9，平衡探测器9可以获得无多普勒背景的信号。另一束510nm的耦合光激光器10由窄线宽稳频装置11进行频率锁定，再经过移频装置12调谐至实验所需要的频率，再经由凸透镜13和第二反射镜14以及双色反射镜15，与进入原子气室第一部分的852nm的光重合，平衡探测器9可以获得电磁感应透明光谱。

Claims (7)

1.一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法，其特征在于，包括如下步骤：（a）、将一束探测光分成两束强度相同的平行光后均入射至内部充有碱金属原子的原子气室（8）内，两束探测光与碱金属原子作用后又从原子气室（8）另一侧透射并同时被平衡探测器（9）探测，获得无多普勒背景的信号；（b）、引入一束耦合光入射至原子气室（8）且与其中一束探测光反向共线；所述探测光中心波长与碱金属原子的基态到第一激发态的跃迁共振，耦合光中心波长与碱金属原子的第一激发态到高激发态的跃迁共振；（c）、扫描耦合光频率，平衡探测器（9）就可以获得关于探测光的电磁感应透明光谱；（d）、将原子气室（8）置于待测磁场表面，如果在激光经过的路线上存在外磁场，碱金属原子的各能级就会在磁场的作用下分裂成相应的磁子能级；这样就可能存在多个能级跃迁组合，原本单个EIT光谱峰就会分裂为多个子EIT光谱峰；通过标定子EIT光谱的峰值对应的能级跃迁组合，就可以计算出子EIT峰值之间的间隔，即可以计算出在磁场强度B作用下，参与EIT效应的各能级分裂的大小；用此方法可以通过测量各个子峰值之间的分裂，从而推导出磁场强度B。

2.如权利要求1所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法，其特征在于，步骤（d）在测量三能级系统中的不同磁子能级跃迁组合的峰值间隔后，对多个峰值分裂间隔分别进行拟合，由于分裂间隔与磁场强度的大小呈线性关系，通过测量不同的EIT子峰之间的分裂间隔可以实现对所测量的磁场进行自校准。

3.如权利要求1或2所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法，其特征在于，碱金属原子为铯原子，探测光中心波长为852nm，耦合光的中心波长为510nm。

4.一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置，用于实现如权利要求2所述的方法，包括探测激光器（1）、顺次位于探测激光器（1）出射光路上的第一1/2玻片（2）以及第一PBS分光棱镜（3）；第一PBS分光棱镜（3）的反射光路上设有饱和吸收光谱稳频装置（4），饱和吸收光谱稳频装置（4）的信号输出端与探测激光器（1）的电压控制端口相连接；第一PBS分光棱镜（3）的透射光路上顺次设有第二1/2玻片（5）、第二PBS分光棱镜（6）、内充碱金属原子且侧壁上设有入射窗口和出射窗口的原子气室（8）以及平衡探测器（9）；原子气室（8）位于第二PBS分光棱镜（6）的透射光路上；第二PBS分光棱镜（6）的反射光路上设有第一反射镜（7）；第一反射镜（7）的反射光路与第二PBS分光棱镜（6）的透射光路平行并穿过原子气室（8）；还包括耦合光激光器（10），耦合光激光器（10）的出射光路上设有移频装置（12），移频装置（12）的出射光路上顺次设有凸透镜（13）和第二反射镜（14），第二反射镜（14）的反射光路上设有位于原子气室（8）和平衡探测器（9）之间的双色反射镜（15）；双色反射镜（15）的反射光路与第二PBS分光棱镜（6）的透射光路反向重合；所述探测激光器（1）出射的探测光中心波长与碱金属原子的基态到第一激发态的跃迁共振，耦合光激光器（10）出射的耦合光中心波长与碱金属原子的第一激发态到高激发态的跃迁共振；所述双色反射镜（15）能反射耦合光并使探测光透射。

5.如权利要求4所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置，其特征在于，原子气室（8）内充有铯原子蒸汽；探测激光器（1）出射的探测光中心波长为852nm；耦合光激光器（10）出射的耦合光中心波长为510nm；双色反射镜（15）能使波长为852nm的光透射并反射波长为510nm的光。

6.如权利要求4或5所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置，其特征在于，耦合光激光器（10）的电压控制端连接有窄线宽稳频装置（11）进行频率锁定。

7.如权利要求4或5所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置，其特征在于，原子气室（8）呈长方体结构，入射窗口和出射窗口设在原子气室（8）相对的两个侧面上且均采用0度双波长增透膜（16）镀膜处理。