CN105403322B - 原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置，包括光源系统、加热系统、碱金属气室、信号检测系统；所述光源系统用于产生测量碱金属气室内温度分布的激光，包括激光器、波片、PBS、耦合器、NPBS，光阑、反光镜；所述加热系统用于加热碱金属气室；所述碱金属气室内封装有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；所述信号检测系统用于检测表征碱金属气室内温度分布的信号，包括两个光电探测器、光学斩波器、两个锁相放大器和示波器。本发明还公开了测量碱金属气室内温度分布及达热稳定时间的方法。本发明为SERF原子磁强计评估碱金属气室内部温度分布情况和热稳态时间提供简单有效且精度较高的测量方案，并为SERF原子磁强计灵敏度提升提供理论参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置与方法，属于光学检测、温度探测技术领域。
背景技术
磁场广泛存在于自然界中，极弱磁场的精确探测有助于各领域研究者发现新现象和探索新机理。近年来，随着量子操控技术、光电检测技术以及量子传感技术的飞速发展，利用原子自旋效应测量磁场已成为新的发展方向。超高灵敏的量子传感器，诸如超导量子干涉仪、质子磁强计、光泵磁强计、核磁共振磁强计等应运而生。在这些量子磁强计中，以无自旋交互弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)理论为基础的原子磁强计(以下简称SERF原子磁强计)因其超高的理论灵敏度而备受国内外研究学者瞩目。到目前为止，在低频磁场测量上，普林斯顿大学的Romalis小组仍旧保持着160aT/Hz1/2的最高灵敏度纪录。
SERF原子磁强计主要由光源系统，磁场屏蔽和产生系统，敏感表头(碱金属气室)以及加热系统。因此，SERF原子磁强计的主要误差源被分为光、磁、气室原子源、温度等四大部分，这些误差源都会影响SERF原子磁强计的灵敏度。在光源方面，Cs原子磁强计光强优化、光强对混合抽运原子磁强计的灵敏度的影响等方面均有深入研究；在磁场方面，磁场在碱金属气室中的分布情况、磁屏蔽桶结构和屏蔽因子的优化设计、以及磁线圈的优化设计等方面也有广泛的研究；对于碱金属气室来说，不同碱金属原子对灵敏度的影响、混合抽运情况下碱金属的配比与在线监测、以及碱金属气室的形状和厚度的研究也正不断深入研究。但是，对于温度方面的研究，尤其是对于温度在碱金属气室中的分布情况和热平衡时间的研究还不够全面和深入，目前，还未见相关文献和公开报道。
为解决上述问题，本发明提出一种适用于SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置与方法。本方法仅依赖于光学深度理论，仅与两束光的比值有关。由于不引入额外的参数，本发明方法具有较高的精度。本发明可以为SERF原子磁强计评估碱金属气室内部温度分布情况和估算温度热稳态时间提供简单有效且精度较高的测量方案，并可为SERF原子磁强计灵敏度提升提供理论参考。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明立足于光学深度理论，提出一种SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置与方法，为提升SERF原子自旋磁强计灵敏度提供了保障。
技术方案：一种SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置，包括光源系统、加热系统、碱金属气室、信号检测系统；所述光源系统用于产生测量碱金属气室内温度分布的激光，包括激光器、波片、PBS、耦合器、NPBS，光阑、反光镜；所述加热系统用于加热碱金属气室；所述碱金属气室内封装有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；所述信号检测系统用于检测表征碱金属气室内温度分布的信号，包括两个光电探测器、光学斩波器、两个锁相放大器和示波器；
激光器发出的激光经过波片后再经过PBS被分为两束，一束经耦合器后进入波长计用于监测激光波长，另一束用于测量碱金属气室内温度分布；用于测量碱金属气室内温度分布的激光经过光学斩波器调制后经由NPBS被分成两束等光强的光，一束经光阑后直接被第一光电探测器接收，再被第一锁相放大器解调，由示波器显示，此束激光光强亦等同于进入碱金属气室前的激光光强，另一束经反射镜反射再入射至碱金属气室，后由光第二光电探测器接收，再被第二锁相放大器解调，由示波器显示。
优选地，所述反光镜和第二光电探测器处分别设有用于平移的三维位移台。
优选地，所述加热系统为烤箱，碱金属气室放置在其内部。
本发明还提出一种SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量方法，包括如下步骤：
(1)系统准备：开启电加热系统，将碱金属气室内部加热至预设温度值；
(2)开始测试：反光镜和第二光电探测器平移0mm处为起始点，x mm处为终止点，且每间隔1mm设置一个测试点，将激光器调谐至远失谐状态，加热半个小时候后，每个测试点的碱金属气室前的光强信息与碱金属气室后的光强信息同时由示波器采集；在近失谐情况下，每个测试点的碱金属气室前的光强信息与碱金属气室后的光强信息同时由示波器采集；
(3)数据处理：在远失谐情况下，用碱金属气室后的光强除以碱金属气室前的光强，以获得各测试点的参考信号；在近失谐情况下，用碱金属气室后的光强除以碱金属气室前的光强，以获得各测试点的测量信号；最后根据下式获得各测试点的光学深度值：
式中，I(z)为通过碱金属气室后的光强，I(0)为进入碱金属气室前的光强。
基于上述测量装置和方法步骤，本发明还提出一种SERF原子磁强计碱金属气室内热稳定时间的测量方法，包括如下步骤：
(1)开启电加热系统，将碱金属气室内部加热至预设温度值；
(2)把加热温度刚达设定温度值时定义为“0min”，在“0min”时刻，开始测试各测试点的光学深度值；
(3)每间隔十分钟测试一次各测试点的光学深度值，直至各点光学深度值不再发生变化；
(4)各点光学深度值不再发生变化则说明碱金属气室内部的温度已达稳态，该时间点即为碱金属气室内热稳定时间。
有益效果：本发明采用上述技术方案，具有如下优点：
(1)填补缺乏SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置与方法的空白；
(2)为原子磁强计评估原子密度分布和极化率分布提供有效参考；
(3)为提升SERF原子磁强计灵敏度提供保障。
附图说明
图1为一种适用于SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置图，其中：1为激光器；2为波片；3为PBS；4为耦合器；5为波长计；6为光学斩波器；7为NPBS；8为光阑；9为第一三维位移台；10为反射镜；11为烤箱；12为碱金属气室；13为第二三维位移台；14为第二光电探测器；15为第二锁相放大器；16为第一光电探测器；17为第一锁相放大器；18为示波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出一种SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置，包括光源系统、烤箱11、碱金属气室12、信号检测系统；所述光源系统用于产生测量碱金属气室内温度分布的激光，包括激光器1、波片2、PBS3、耦合器4、NPBS7，光阑8、反光镜10；所述烤箱11用于加热碱金属气室12；所述碱金属气室12内封装有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体，其放置于烤箱11内部；所述信号检测系统用于检测表征碱金属气室12内温度分布的信号，包括两个光电探测器14,16、光学斩波器6、两个锁相放大器15,17和示波器18；所述反光镜和第二光电探测器处分别设有用于平移的三维位移台10,13。
激光器1发出的激光经过波片2后再经过PBS3被分为两束，一束经耦合器4后进入波长计5用于监测激光波长，另一束用于测量碱金属气室内温度分布；用于测量碱金属气室内温度分布的激光经过光学斩波器6调制后经由NPBS7被分成两束等光强的光，一束经光阑8后直接被第一光电探测器16接收，再被第一锁相放大器解调17，由示波器18显示，此束激光光强亦等同于进入碱金属气室前的激光光强，另一束经反射镜9反射再入射至碱金属气室12，后由光第二光电探测器14接收，再被第二锁相放大器解调15，由示波器18显示。
当一束在共振频率上或接近共振频率的线偏振光穿过碱金属气室时，它会全部地或部分地被碱金属蒸汽吸收而导致光强的衰减。对于一束线偏振光来说，光强是成指数的衰减：
I(z)＝I(0)exp(-nσ(v)z) (1)
其中，I(z)为通过碱金属气室后的光强，I(0)为进入碱金属气室前的光强，n是碱金属蒸汽密度，z为碱金属气室中的位置，σ(v)为吸收截面积，具体的：
其中，c为光速，re为经典电子半径，f为震荡强度，Γ为气体的压力展宽，对于一个已封装好的碱金属气室来说，气体的压力展宽即为定值，那么，吸收截面积就为常值。T为碱金属气室内部温度，Ak和Bk为系数，对于钾原子来说，在流体情况下，Ak＝4.402，Bk＝4453。
光学深度(optical depth，OD)可以用来描述光经过边长为l的碱金属气室后，光强总的衰减情况：
OD＝nσ(v)l (4)
将式(4)带入式(1)，化简后可知：
(4)综合式(1)到式(5)可知，由于吸收截面积为常值，光学深度与碱金属密度成正比，碱金属密度又仅与温度相关，那么，也就是说光学深度可直接反映出温度情况。
当碱金属气室加热至一定温度后，将线偏振光调谐至远失谐即原子无吸收的情况下，将通过碱金属气室后的光强与碱金属气室前的光强之比定义为参考信号；在近失谐的情况下，将通过碱金属气室后的光强与碱金属气室前的光强之比定义为测量信号。测量信号与参考信号的比值取对数后再取负数，即为光学深度。在同一温度下，通过同时平移激光和探测器测量碱金属气室不同位置的光学深度值。各点光学深度值即反映了温度分布。
根据上述装置和原理，以钾原子磁强计为例具体说明测量碱金属气室内温度分布及达热稳定时间的方法。
一种测量SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的方法，其步骤为：
(1)光路调节。按照附图1所示光路进行精细调节。
(2)系统准备。开启电加热系统，将碱金属气室内部加热至160℃。
(3)开始测试。三维位移台的0mm处为起始点，12mm处为终止点，且每间隔1mm设置一个测试点。将激光器调谐至远失谐状态，加热半个小时候后，每个测试点的碱金属气室前的光强信息与碱金属气室后的光强信息同时由示波器采集；在近失谐情况下，每个测试点的碱金属气室前的光强信息与碱金属气室后的光强信息同时由示波器采集。
(4)数据处理。在远失谐情况下，用碱金属气室后的光强除以碱金属气室前的光强，以获得各测试点的参考信号；在近失谐情况下，用碱金属气室后的光强除以碱金属气室前的光强，以获得各测试点的测量信号。最后，根据公式
获得各测试点的光学深度值。
一种测量SERF原子磁强计碱金属气室内热稳定时间的方法，其步骤为：
(1)按照附图说明书所示光路进行精细调节。
(2)系统准备。开启电加热系统，将加热温度设置为160℃。
(3)把加热温度刚达160℃时定义为“0min”，在“0min”时刻，开始测试各测试点的光学深度值。
(4)每间隔十分钟测试一次各测试点的光学深度值，直至各点光学深度值不再发生变化。
(5)各点光学深度值不再发生变化则说明碱金属气室内部的温度已达稳态。
Claims (5)
1.一种SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置，其特征在于：包括光源系统、加热系统、碱金属气室、信号检测系统；所述光源系统用于产生测量碱金属气室内温度分布的激光，包括激光器、波片、PBS、耦合器、NPBS，光阑、反光镜；所述加热系统用于加热碱金属气室；所述碱金属气室内封装有碱金属原子、惰性气体和缓冲气体；所述信号检测系统用于检测表征碱金属气室内温度分布的信号，包括两个光电探测器、光学斩波器、两个锁相放大器和示波器；
激光器发出的激光经过波片后再经过PBS被分为两束，一束经耦合器后进入波长计用于监测激光波长，另一束用于测量碱金属气室内温度分布；用于测量碱金属气室内温度分布的激光经过光学斩波器调制后经由NPBS被分成两束等光强的光，一束经光阑后直接被第一光电探测器接收，再被第一锁相放大器解调，由示波器显示，此束激光光强亦等同于进入碱金属气室前的激光光强，另一束经反射镜反射再入射至碱金属气室，后由光第二光电探测器接收，再被第二锁相放大器解调，由示波器显示。
2.根据权利要求1所述的SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置，其特征在于，所述反光镜和第二光电探测器处分别设有用于平移的三维位移台。
3.根据权利要求1所述的SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置，其特征在于，所述加热系统为烤箱，碱金属气室放置在其内部。
4.权利要求1-3任意一项所述SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置测量碱金属气室内温度分布的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)系统准备：开启电加热系统，将碱金属气室内部加热至预设温度值；
(2)开始测试：反光镜和第二光电探测器平移0mm处为起始点，x mm处为终止点，且每间隔1mm设置一个测试点，将激光器调谐至远失谐状态，加热半个小时候后，每个测试点的碱金属气室前的光强信息与碱金属气室后的光强信息同时由示波器采集；在近失谐情况下，每个测试点的碱金属气室前的光强信息与碱金属气室后的光强信息同时由示波器采集；
(3)数据处理：在远失谐情况下，用碱金属气室后的光强除以碱金属气室前的光强，以获得各测试点的参考信号；在近失谐情况下，用碱金属气室后的光强除以碱金属气室前的光强，以获得各测试点的测量信号；最后根据下列各式获得各测试点的光学深度值OD：
首先计算通过碱金属气室后的光强I(z)：
I(z)＝I(0)exp(-nσ(v)z) (1)
其中，I(0)为进入碱金属气室前的光强，n是碱金属蒸汽密度，z为碱金属气室中的位置，σ(v)为吸收截面积，具体的：
<mrow>
<mi>&sigma;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>v</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>e</mi>
</msub>
<mi>f</mi>
</mrow>
<mi>&Gamma;</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>T</mi>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
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<mn>10</mn>
<mrow>
<mn>21.866</mn>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mo>/</mo>
<mi>T</mi>
</mrow>
</msup>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，c为光速，re为经典电子半径，f为震荡强度，Γ为气体的压力展宽，对于一个已封装好的碱金属气室来说，气体的压力展宽即为定值，那么，吸收截面积就为常值；T为碱金属气室内部温度，Ak和B k为系数；
用光学深度值OD来描述光经过边长为l的碱金属气室后，光强总的衰减情况：
OD＝nσ(v)l (4)
将式(4)带入式(1)，化简后可知：
<mrow>
<mi>O</mi>
<mi>D</mi>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mi>log</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>z</mi>
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</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>0</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
5.权利要求1-3任意一项所述SERF原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置测量碱金属气室内热稳定时间的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)开启电加热系统，将碱金属气室内部加热至预设温度值；
(2)把加热温度刚达设定温度值时定义为“0min”，在“0min”时刻，开始测试各测试点的光学深度值；
(3)每间隔十分钟测试一次各测试点的光学深度值，直至各点光学深度值不再发生变化；各点光学深度值不再发生变化则说明碱金属气室内部的温度已达稳态，该时间点即为碱金属气室内热稳定时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |