CN105699919A - 一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法 - Google Patents

一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法，该方法采用VCSEL输出的线偏振多色光与磁场中的原子作用，借助Faraday效应通过差分探测技术提取CPT信号，有效抑制了信号中激光产生的AM和FM-AM噪声，消除了多色光无用光频成分产生本底噪声，提高CPT磁强计的测量精度，另外通过差分还扩展了对磁场强度的探测范围。

Description

一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法
技术领域
本发明涉及原子磁强计领域，更具体涉及一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法。
背景技术
磁强计在地磁场探测、空间物理、生物医学等领域中有着极其重要的应用。原子磁强计是一种利用原子在磁场中的Zeeman效应反推磁场信息的装置，其中利用CPT现象实现的微型原子磁强计体积仅为12mm3，功耗只有195mW，灵敏度可达50pT/Hz1/2。
能级Zeeman移动使得处于磁场中碱原子超精细能级裂距发生变化，以87Rb原子为例，根据Breit-Rabi公式(为约化普朗克常数，ωhfs为原子基态磁量子数为0的两能态之间的频率差，mF＝1、m′F＝2分别为原子基态F＝1和F＝2的角量子数，γ为原子的旋磁比，B是施加的待测磁场)，超精细基态能级裂距在B中由变为当双色光与|F＝1,mF＝1>、|F＝2,m′F＝2>两基态与一个激发态发生Λ形CPT共振，窄线宽CPT谱线能够敏感地反映出裂距变化，根据Breit-Rabi公式就能获得B。流行的CPT磁强计方案使用VCSEL输出的线偏振激光作为光源，用受微波调制的电流驱动VCSEL使其输出调频激光，利用调频光的±1级边带作为所需的双色光，并用λ/4波片将线偏振光转换为圆偏振光与碱原子CPT共振，探测透射光束从中获得CPT信号。
流行方案具有易于实现小型磁强计优点，但也伴随一些缺点：采用单一左旋或右旋圆偏振双色光与原子相互作用会将部分原子抽运至极化暗态，因此减少参与CPT共振的原子数目，降低CPT信号的幅度；VCSEL输出的调频光中只有±1将边带对CPT信号有贡献，其它光频成分对CPT信号无贡献，无贡献光频成分也被探测导致信号的本底光噪声大；VCSEL输出激光功率起伏较大引起较强幅度(AM)噪声；VCSEL输出激光的带宽较宽，频率抖动通过CPT信号转换为幅度起伏，即产生频率-幅度转换(FM-AM)噪声。
本发明提供了一种利用差分技术实现的保持流行方案CPT磁强计优点，抑制其缺点的CPT磁强计方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法。本发明仍采用VCSEL输出的调频线偏振光作为光源，用偏振光与87Rb原子实现CPT共振，利用CPT共振时产生的Faraday效应通过差分探测技术提取差分CPT信号。采用线偏振光具有消除极化暗态，增加工作原子数目效果；采用差分探测技术的效果包括：消除无用光频成分产生的本底光噪声、有效抑制AM噪声、FM-AM噪声，大幅度提高CPT信号的信噪比，提高磁场探测精度；双色光与87Rb的Λ构型CPT共振的三条CPT谱线中间一条因差分而被消除，使得谱线最小间距扩大一倍，因此扩大了磁场探测范围。
一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、对VCSEL进行设定温度控制，微波源输出经过频率调制的微波与电流源输出的电流通过Bias-Tee耦合后作为VCSEL的输入，使得VCSEL输出调频线偏振光。设置电流源输出电流值使调频线偏振光的波长满足87Rb原子D1线，设置微波源输出微波的频率值使得调频线偏振光的±1级边带与87Rb基态两超精细能态Raman共振，设置微波源输出微波的功率使±1级边带光频率成分光功率最大。
步骤2、在VCSEL输出调频线偏振光传播方向上放置被控于设定温度的原子气室，其中原子气室内充有87Rb原子和缓冲气体，原子气室表面环绕有线圈，产生轴向待测磁场，轴向待测磁场为激光与87Rb原子作用提供量子化轴并使87Rb原子能级产生Zeeman移动。原子气室及线圈被装入多层高磁导率材料制成的磁屏蔽盒中，减小外界杂散磁场对原子系统的干扰。
步骤3、VCSEL输出的调频线偏振光入射至原子气室，与原子气室内原子相互作用。
调频线偏振光在磁场中等效为左、右旋圆偏振光的叠加，而原子基态能级在磁场中因Zeeman移动发生能级分裂，可以与±1级边带光产生多个Λ型CPT共振构型。其中原子基态磁量子数之和为-2的两子能态与激发态F＇＝1中磁量子数分别为-1和0的两子能态产生第一个Λ型CPT共振构型，原子基态磁量子数之和为0的两子能态与激发态F＇＝1中磁量子数为0的两子能态产生第二个Λ型CPT共振构型，原子基态磁量子数之和为2的两子能态与激发态F＇＝1中磁量子数分别为0和1的两子能态产生第三个Λ型CPT共振构型。
调频线偏振光中参与CPT共振的±1级边带两光频光成分由于Faraday效应偏振方向发生改变，而不与原子相互作用的光成分偏振方向不会发生变化。
步骤4、经原子气室出射的光束由偏振分束器分为偏振方向相互垂直且均与VCSEL输出偏振光的偏振方向成45°夹角的两束线偏振光束。
与原子无相互作用光频成分由于偏振方向未变化，经过偏振分束器后的透射光光强和反射光光强刚好相等；±1级边带两光频光成由于与磁场中的87Rb原子作用的Faraday效应偏振方向发生变化，经过偏振分束器后的透射光光强和反射光光强不相等。
步骤5、经过偏振分束器后的透射光和反射光分别由第一光电探测器和第二光电探测器探测，将分别探测到的信号相减获得差分信号并从中提取步骤3中所述的三个Λ型CPT共振构型产生的三个CPT信号。
两光电探测器分别探测到的光信号中只有出±1级边带光强不等，因此差分信号中只保留有±1级边带光产生的信号，因为消除了其它光频成分产生的本底光噪声，大大改善了所得CPT信号的信噪比。另外，两光电探测器分别获得的信号中的AM噪声和FM-AM噪声属于共模噪声，经差分相消也被大大抑制，因此得到的CPT信号信噪比很高。此外，步骤3中所述的，原子基态磁量子数之和为0的两子能态与激发态F＇＝1中磁量子数为0的两子能态产生第二个Λ型CPT共振构型对应的CPT信号经过偏振分束器后的两路由于大小和方向基本相同，差分之后幅度接近零，而第一个Λ型CPT共振构型和第三个Λ型CPT共振构型对应的CPT信号由于光成分偏振旋转方向相反，经过偏振分束器后的两路方向相反，因此差分之后幅度不为零。
步骤6、由于在步骤1中对微波源的微波施加了设定的微波频率调制，因此提取探测到的第一个Λ型CPT共振构型和第三个Λ型CPT共振构型对应的CPT信号中的调制信息分别进行解调，得到两个CPT信号的微分信号。根据两个CPT信号的微分信号零点所对应的频率确定两个CPT信号对应的原子基态磁敏感子能态之间的频率差ω，再根据Breit-Rabi公式(为约化普朗克常数，ωhfs为原子基态磁量子数为0的两能态之间的频率差，mF＝1、m′F＝2分别为原子基态F＝1和F＝2的角量子数，γ为原子的旋磁比，B是施加的待测磁场)就能推算出磁场B的大小。
一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现装置，包括：电流源，用于提供VCSEL驱动电流；微波源，用于输出设定频率、功率的微波调制VCSEL，并对微波进行设定的频率调制；Bias-Tee，用于将微波源输出微波与电流源输出电流耦合成VCSEL驱动信号并输入到VCSEL；VCSEL，输入驱动信号后，输出相应的调频线偏振光；原子气室，提供与线偏振光作用的碱金属原子，原子气室外层设置螺线管线圈，螺线管线圈外设置磁屏蔽壳；偏振分束器，用于将经过原子气室出射后的线偏振光分束为偏振方向相互垂直的透射光和反射光；第一光电探测器和第二光电探测器，用于分别探测偏振分束器出射的两束线偏振光。
本发明相对于现有技术具有以下优势：
(1)本发明采用差分探测技术抑制了CPT信号中的AM噪声、FM-AM噪声以及VCSEL产生的无用多边带本底噪声，使得CPT信号信噪比优于流行方案，从而提高了磁场测量精度。
(2)本发明相比流行方案消除了87Rb原子基态磁量子数之和为0的两能态对应的CPT信号，降低了CPT磁强计能够测量的最小值，因此扩展了CPT磁强计测量范围。
(3)装置体积小，功耗低，重量轻，因此适合实现高性能的紧凑型CPT磁强计。
附图说明
图1为实现本方法所用的一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现装置，其中：1-电流源，2-微波源，3-Bias-Tee，4-VCSEL，5-原子气室，6-磁场线圈，7-磁屏蔽壳，8-偏振分束器，9-第一光电探测器，10-第二光电探测器。
图2为线偏振光与87Rb原子作用实现CPT磁强计原理图，其中52S1/2对应碱金属原子基态角量子数分别为F＝1和F＝2的能态，52P1/2对应碱金属原子激发态角量子数分别为F'＝1和F'＝2的能态，mF表示基态和激发态的磁量子数，取值包括-2，-1，0，1，2，为|F＝1,mF＝-1>和|F＝2,mF＝-1>对应的两个能态与|F＝1,mF＝0>和|F＝2,mF＝-2>对应的两个能态之间的频率差，ωhfs为|F＝1,mF＝0>和|F＝2,mF＝0>对应的两个能态、|F＝1,mF＝-1>和|F＝2,mF＝1>对应的两个能态以及|F＝1,mF＝1>和|F＝2,mF＝-1>对应的两个能态之间的频率差，为|F＝1,mF＝1>和|F＝2,mF＝1>对应的两个能态与|F＝1,mF＝0>和|F＝2,mF＝2>对应的两个能态之间的频率差。图2(a)为线偏振光与原子作用产生的共振频率为的跃迁；图2(b)为线偏振光与原子作用产生的共振频率为ωhfs的跃迁；图2(c)为线偏振光与原子作用产生的共振频率为的跃迁。
图3为实验记录的两组CPT信号的微分信号，其中(a)为采用流行方案获得的微分信号，(b)为采用本发明方法获得的微分信号。
图4为图3中两组微分信号在微波频率稳定在微分信号斜率绝对值最大处时的噪声谱，其中(a)为流行方案所获信号噪声谱，(b)为本发明方法所获信号噪声谱。
具体实施方式
下面参考附图，以87Rb作为实验原子为例，描述本发明的实施例。
一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法，操作步骤为：
步骤1、VCSEL和原子气室分别被控于25℃和50℃，磁场线圈通入设定的直流产生待测磁场。通过Bias-Tee将1mA的电流和频率为3.4GHz的微波信号耦合后输出VCSEL驱动信号，VCSEL受VCSEL驱动信号驱动输出调频线偏振光。设置3.4GHz微波信号的输出功率为-2dBm，并对3.4GHz的微波信号施加频率调制，调制频率为1kHz，调制深度为200Hz。
步骤2、在VCSEL输出调频线偏振光传播方向上放置被控于设定温度的原子气室，其中原子气室内充有87Rb原子和缓冲气体，原子气室表面环绕有线圈，产生轴向待测磁场，轴向待测磁场为激光与87Rb原子作用提供量子化轴并使87Rb原子能级产生Zeeman移动。原子气室及线圈被装入多层高磁导率材料制成的磁屏蔽盒中，减小外界杂散磁场对原子系统的干扰。
步骤3、VCSEL输出调频线偏振光，沿磁场方向入射至原子气室与87Rb原子作用，作用原理如图2所示。调频线偏振光中角频率分别为ω1和ω2的±1级边带在施加的沿传播方向的磁场中等效为左、右旋圆偏振光与原子作用。其中角频率为ω1的左旋圆偏振光激发|F＝2,mF＝2>→|F'＝1,mF＝1>跃迁和|F＝2,mF＝1>→|F'＝1,mF＝0>跃迁，角频率为ω2的左旋圆偏振光激发|F＝1,mF＝1>→|F'＝1,mF＝0>跃迁和|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝-1>跃迁，角频率为ω1的右旋圆偏振光激发|F＝2,mF＝-2>→|F'＝1,mF＝-1>跃迁和|F＝2,mF＝-1>→|F'＝1,mF＝0>跃迁，角频率为ω2的右旋圆偏振光激发|F＝1,mF＝-1>→|F'＝1,mF＝0>跃迁和|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝1>跃迁。|F＝1,mF＝-1>→|F'＝1,mF＝0>和|F＝2,mF＝-1>→|F'＝1,mF＝0>、|F＝2,mF＝-2>→|F'＝1,mF＝-1>和|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝-1>构成两个共振频率均为的Λ型CPT态制备结构(第一个Λ型CPT共振构型)，分别如图2(a)实现和虚线所示；|F＝2,mF＝-1>→|F'＝1,mF＝0>和|F＝1,mF＝1>→|F'＝1,mF＝0>、|F＝2,mF＝1>→|F'＝1,mF＝0>和|F＝1,mF＝-1>→|F'＝1,mF＝0>构成两个共振频率均为ωhfs的Λ型CPT态制备结构(第二个Λ型CPT共振构型)，分别如图2(b)实现和虚线所示；|F＝1,mF＝1>→|F'＝1,mF＝0>和|F＝2,mF＝1>→|F'＝1,mF＝0>、|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝1>和|F＝2,mF＝2>→|F'＝1,mF＝1>构成两个共振频率均为的Λ型CPT态制备结构(第三个Λ型CPT共振构型)，分别如图2(c)实现和虚线所示。|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝1>和|F＝2,mF＝0>→|F'＝1,mF＝1>、|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝-1>和|F＝2,mF＝0>→|F'＝1,mF＝-1>构成的两个共振频率均为ωhfs的Λ型CPT态制备结构因为干涉相消不会制备CPT态。
|F＝1,mF＝1>→|F'＝1,mF＝0>和|F＝2,mF＝1>→|F'＝1,mF＝0>、|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝1>和|F＝2,mF＝2>→|F'＝1,mF＝1>构成两个共振频率均为的Λ型CPT态制备结构(第三个Λ型CPT共振构型)，分别如图2(c)实现和虚线所示。|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝1>和|F＝2,mF＝0>→|F'＝1,mF＝1>、|F＝1,mF＝0>→|F'＝1,mF＝-1>和|F＝2,mF＝0>→|F'＝1,mF＝-1>构成的两个共振频率均为ωhfs的Λ型CPT态制备结构因为干涉相消不会制备CPT态。
步骤4、经原子气室后入射偏振分束器的激光束被分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，分别被第一光电探测器和第二光电探测器探测，然后对两个光电探测器所获信号实施差分获得两个CPT信号。
与原子无相互作用光频成分由于偏振方向未变化，经过偏振分束器后的透射光光强和反射光光强刚好相等；±1级边带两光频光成由于与磁场中的87Rb原子作用的Faraday效应偏振方向发生变化，经过偏振分束器后的透射光光强和反射光光强不相等。
步骤5、分别提取两个共振频率均为的Λ型CPT态制备结构和两个共振频率均为的Λ型CPT态制备结构对应的CPT信号中频率为1kHz、幅度为200Hz的频率调制信息，并实施同步解调，得到两个CPT信号的微分信号。根据两个CPT信号的微分信号零点所对应的频率能够确定两个CPT信号对应的原子基态磁敏感子能态之间的频率差ω，由Breit-Rabi公式(为约化普朗克常数，ωhfs为原子基态磁量子数为0的两能态之间的频率差，mF＝1、m′F＝2分别为原子基态F＝1和F＝2的角量子数，γ为原子的旋磁比，B是施加的待测磁场)就能推算出磁场B的大小。
图3中的(a)所示为相同实验条件下，使用流行方案即圆偏振光与原子作用所获CPT信号的微分信号，其中在将图1所示的本发明装置转换为流行方案时，需要在VCSEL和原子气室之间放置一个四分之一波片将线偏振光的偏振变换为圆偏振。比较图3中的(a)和(b)可知，本发明消除了磁量子数之和为0的能态对应的CPT信号，从而使CPT磁强计能够测量的最小值减小为流行方案的一半。
图4是在将微波频率稳定在图3所示微分信号斜率绝对值最大值处得到的信号噪声谱，其中(a)对应流行方案，(b)对应本发明。由图4中的(a)和(b)可知，本发明所获CPT信号的微分信号噪声谱在各频率处至少优于流行方案2倍，因此测量的磁场精度更高。
一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现装置，如图1所示，微波源输出的微波与电流源输出的恒定电流经Bias-Tee耦合成VCSEL驱动信号并输入到VCSEL，VCSEL输出的调频线偏振光透过原子气室后由偏振分束器分为偏振方向相互垂直的两线偏振光束，其中PBS透射方向与VCSEL输出的调频线偏振光的偏振方向成45°夹角，偏振分束器输出的两线偏振光束被第一光电探测器和第二光电探测器分别探测，两个光电探测器获得的光电信号通过差分得到最终输出的差分信号，原子气室外层环绕通入恒定电流的磁场线圈，磁场线圈外层设置有磁屏蔽壳。磁场线圈通入设定电流，提供沿激光传播方向的磁场，磁屏蔽壳被用于屏蔽外界环境磁场干扰。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、对VCSEL进行设定温度控制，微波源输出经过频率调制的微波与电流源输出的电流通过Bias-Tee耦合后作为VCSEL的输入，使得VCSEL输出调频线偏振光；
步骤2、在VCSEL输出调频线偏振光传播方向上放置被控于设定温度的原子气室，其中原子气室内充有87Rb原子和缓冲气体，原子气室表面环绕有线圈，产生轴向待测磁场，轴向待测磁场为激光与87Rb原子作用提供量子化轴并使87Rb原子能级产生Zeeman移动，原子气室及线圈被装入磁屏蔽盒中；
步骤3、VCSEL输出的调频线偏振光入射至原子气室，与原子气室内原子相互作用，其中，原子基态磁量子数之和为-2的两子能态与激发态F＇＝1中磁量子数分别为-1和0的两子能态产生第一个Λ型CPT共振构型，原子基态磁量子数之和为0的两子能态与激发态F＇＝1中磁量子数为0的两子能态产生第二个Λ型CPT共振构型，原子基态磁量子数之和为2的两子能态与激发态F＇＝1中磁量子数分别为0和1的两子能态产生第三个Λ型CPT共振构型；
步骤4、经原子气室出射的光束由偏振分束器分为偏振方向相互垂直且均与VCSEL输出偏振光的偏振方向成45°夹角的两束线偏振光束；
步骤5、经过偏振分束器后的透射光和反射光分别由第一光电探测器和第二光电探测器探测，将分别探测到的信号相减获得差分信号并从中提取步骤3中所述的三个Λ型CPT共振构型产生的三个CPT信号；
步骤6、提取探测到的第一个Λ型CPT共振构型和第三个Λ型CPT共振构型对应的CPT信号中的调制信息分别进行解调，得到两个CPT信号的微分信号，根据两个CPT信号的微分信号零点所对应的频率确定两个CPT信号对应的原子基态磁敏感子能态之间的频率差ω，再根据公式计算磁场B的大小，其中为约化普朗克常数，ωhfs为原子基态磁量子数为0的两能态之间的频率差，mF＝1、m′F＝2分别为原子基态F＝1和F＝2的角量子数，γ为原子的旋磁比，B是施加的待测磁场。
2.根据权利要求1所述的一种差分探测相干布居囚禁磁强计的实现方法，其特征在于，步骤1还包括以下步骤：设置电流源输出电流值使调频线偏振光的波长满足87Rb原子D1线，设置微波源输出微波的频率值使得调频线偏振光的±1级边带与87Rb基态两超精细能态Raman共振，设置微波源输出微波的功率使±1级边带光频率成分光功率最大。
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