CN105896237B - 一种用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光泵浦技术领域，具体地涉及可用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置及相应的调整方法。本发明所述装置包括光泵浦发生组件S1、磁场强度和位置探测组件S2、磁场位置调节组件S3以及磁场发生控制组件S4。本发明利用磁场的矢量叠加进行磁场强度和位置控制，具有较高的灵敏度并且没有引入额外的剩余磁场，结构简单，体积较小，能够在磁屏蔽桶内部实现磁场调节。

Description

一种用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置及调整方法

技术领域

本发明涉及光泵浦技术领域，具体地涉及可用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置及相应的调整方法。

背景技术

光泵浦是一种通过激光辐射工作物质，使物质内部发生粒子数反转，最终使大部分原子处于特定的相同能级状态，即实现原子极化的技术手段。在授时、磁力仪、量子光学、导航和医学等领域中，光泵浦都得到广泛的应用。

光泵浦的基本原理是通过激光与原子的相互作用将光子的角动量传递给原子。从广泛意义上讲，光泵浦实现了对原子平移及自旋自由度的排列。典型的光泵浦实验结构包含以下几部分：波长谐振于工作物质特定跃迁(例如Rb原子D1跃迁)的圆偏振泵浦激光；方向与激光传播方向一致的恒定轴向磁场；封装有碱金属蒸汽及其他缓冲气体的原子气室。一般轴向(沿泵浦光方向)磁场由一对亥姆霍兹线圈产生。光泵浦装置中要求轴向磁场幅值保持稳定并且原子气室需置于一对亥姆霍兹线圈的主轴中心位置(在轴向上与两线圈距离相等)，以保证原子气室范围内磁场强度的均匀和方向的一致，但实际操作中存在的安装误差是不可避免的。在光泵浦一般应用中，需要引入磁屏蔽削弱外界磁场的影响。因此在空间上限制了手动调节磁场位置的可能性。如果引入电机控制调节磁场位置，则会通过电流引入磁场噪声。

发明内容

本发明提供一种用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置及相应的轴向磁场调整方法，实现了非接触的轴向磁场强度和位置调节。

本发明采用的技术方案为：一种用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置，包括光泵浦发生组件S1、磁场强度和位置探测组件S2、磁场位置调节组件S3以及磁场发生控制组件S4，所述光泵浦发生组件S1用于产生光泵浦现象，所述磁场强度和位置探测组件S2用于测量轴向磁场强度以及轴向磁场与原子气室的位置偏差，所述磁场位置调节组件S3用于形成新的可控制的调节磁场，调整轴向磁场的位置，所述磁场发生控制组件S4通过比较原子气室中碱金属原子的实际Larmor进动频率ω_L＝γB_0t与设定的轴向主磁场B₀对应的Larmor进动频率ω_a＝γB₀，控制主磁场线圈调整轴向磁场强度，控制射频磁场线圈实现轴向磁场位置和强度探测，控制两组位置调节磁场线圈调节轴向磁场与原子气室的相对位置，以实现轴向磁场与原子气室的空间对准；

所述光泵浦发生组件S1包含泵浦激光器1、一号起偏器2、四分之一波片3、扩束系统4、充有碱金属蒸汽和缓冲气体的原子气室5和主磁场线圈12，所述泵浦激光器1、一号起偏器2、四分之一波片3、扩束系统4、充有碱金属蒸汽和缓冲气体的原子气室5位于同一光路上，并且该光路的轴线及主磁场线圈12的轴线与z轴重合；

所述磁场强度和位置探测组件S2包含探测激光器6、二号起偏器7、射频磁场线圈8和光电探测器9，所述探测激光器6、二号起偏器7、射频磁场线圈8和光电探测器9位于同一光路上，并且该光路的轴线与x轴重合；

所述磁场强度和位置调节组件S3包含一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14，且一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14的轴线与z轴平行但不重合；当用所述磁场强度和位置调节组件S3来调整轴向磁场与原子气室在x方向上相对位置的偏移时，一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14的轴线与x轴分别交于x＝b点和x＝-b点；当用所述磁场强度和位置调节组件S3来调整轴向磁场与原子气室在y方向上相对位置的偏移，一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14的轴线与y轴分别交于y＝b点和y＝-b点；b的取值决定了本发明的磁场位置调节范围，一般情况下，选择b近似等于原子气室沿探测光方向的长度；

所述磁场发生控制组件S4包含处理器10和磁场产生控制器11，其中处理器10与光电探测器9连接，用于测量碱金属原子的Larmor进动频率和横向弛豫时间，磁场产生控制器11分别与射频磁场线圈8、主磁场线圈12、一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14相连，对磁场线圈提供驱动电流、控制磁场强度。

本发明提供一种用于光泵浦装置中的轴向磁场调整方法，具体包含以下步骤：

S1.泵浦激光器1沿z轴方向出射的激光经过一号起偏器2和四分之一波片3后转化为圆偏振光，再通过扩束系统4辐照原子气室5，主磁场线圈12沿z轴方向向原子气室5施加幅值恒定的轴向主磁场B₀；

S2.探测激光器6沿x轴方向出射的激光经过二号起偏器7转化为线偏振光，透过原子气室5后由光电探测器9接收，射频磁场线圈8沿x轴方向向原子气室5施加射频磁场，施加的射频磁场的频率等于碱金属原子在轴向主磁场下的Larmor进动频率ω_a＝γB₀，其中γ为原子气室内碱金属原子的旋磁比，光电探测器9将接收到的光信号反馈给处理器10；

S3.处理器10提取反馈光信号中碱金属原子的实际Larmor进动频率ω_L＝γB_0t，并与设定的轴向主磁场B₀对应的Larmor进动频率ω_a＝γB₀比较，得到实际磁场强度B_0t与设定的轴向主磁场B₀的偏差ΔB₀＝B₀-B_0t，通过磁场产生控制器11对主磁场线圈12的驱动电流进行调整，实现对轴向磁场强度的闭环控制，使其稳定在设定的轴向主磁场B₀；

S4.调节一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₀₁和二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₀₂，实现轴向磁场与原子气室的对准：本发明利用了轴向磁场与原子气室位置偏差会导致的碱金属横向弛豫时间缩短的现象。[具体参见“李莹颖.核磁共振原子自旋陀螺仪中Bloch方程的应用研究[D].国防科学技术大学硕士学位论文,2013.”]。

S4.1磁场产生控制器11控制射频磁场线圈8，实现对碱金属横向弛豫时间的测量，磁场产生控制器11扫描一号位置调节磁场线圈13驱动电流，同时保持二号位置调节磁场线圈14的驱动电流不变，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器11输出的一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₀₁；

S4.2磁场产生控制器11保持一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₀₁，同时扫描二号位置调节磁场线圈14的驱动电流，测量得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器11输出的二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₀₂；

S4.3磁场产生控制器11保持二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₀₂,重复步骤S4.1，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器11输出的一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₁₁；

S4.4磁场产生控制器11保持一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₁₁,重复步骤S4.2，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器11输出的二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₁₂；

S4.5重复S4.1-S4.4，直到一号位置调节磁场线圈13的驱动电流I₁和二号位置调节磁场线圈14的驱动电流I₂无明显变化；

S4.6设置磁场产生控制器11对一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₁，对二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₂，即实现了轴向磁场与原子气室的对准。

本发明具有以下技术效果：首先，与其他调节方式相比，本发明利用磁场的矢量叠加进行磁场强度和位置控制，具有较高的灵敏度；其次，本发明没有引入额外的剩余磁场；最后，本发明结构简单，体积较小，能够在磁屏蔽桶内部实现磁场调节。

附图说明

图1为用于光泵浦装置的示范性轴向磁场调整系统的工作流程图；

图2为根据本发明的一个实施例的用于光泵浦装置的轴向磁场调整系统结构示意图；

图3为用于调整轴向磁场沿x方向位置的线圈结构示意图；

图4为用于调整轴向磁场沿y方向位置的线圈结构示意图。

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，应理解本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。

参考图1，本发明的用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置，利用光泵浦发生组件S1产生极化的碱金属原子；磁场强度和位置探测组件S2利用极化的碱金属原子对轴向磁场强度和位置进行探测，将得到的轴向强度和位置信息传递给磁场发生控制组件S4；磁场发生控制组件S4控制光泵浦发生组件S1调整轴向磁场强度，控制磁场位置调节组件S3调节轴向磁场与原子气室的相对位置，控制磁场强度和位置探测组件S2再一次对轴向磁场位置和强度进行探测。

参考图2，本发明的用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置中，所述光泵浦发生组件S1包含泵浦激光器1、一号起偏器2、四分之一波片3、扩束系统4、充有碱金属蒸汽和缓冲气体的原子气室5和主磁场线圈12，泵浦激光器1、一号起偏器2、四分之一波片3、扩束系统4、充有碱金属蒸汽和缓冲气体的原子气室5位于同一光路上，并且该光路的轴线及主磁场线圈12的轴线与z轴重合，参考图3(在图3中z轴正方向垂直于纸面向里)。

磁场强度和位置探测组件S2包含探测激光器6、二号起偏器7、射频磁场线圈8和光电探测器9，探测激光器6、二号起偏器7、射频磁场线圈8和光电探测器9位于同一光路上，并且该光路的轴线与x轴重合。

磁场强度和位置调节组件S3包含一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14，且一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14的轴线与z轴平行但不重合。若所述装置用来调整轴向磁场与原子气室在x方向上相对位置的偏移，一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14的轴线与x轴分别交于x＝b点和x＝-b点，参考图3；若所述装置用来调整轴向磁场与原子气室在y方向上相对位置的偏移，一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14的轴线与y轴分别交于y＝b点和y＝-b点，参考图4。b决定了本发明的磁场位置调节范围，一般情况下，选择b近似等于原子气室沿探测光方向的长度。

磁场发生控制组件S4包含处理器10和磁场产生控制器11，其中处理器10与光电探测器9连接，用于测量碱金属原子的Larmor进动频率和横向弛豫时间，磁场产生控制器11分别与射频磁场线圈8、主磁场线圈12、一号位置调节磁场线圈13和二号位置调节磁场线圈14相连，对磁场线圈提供驱动电流、控制磁场强度。

本发明提供一种用于光泵浦装置中的轴向磁场调整方法，具体包含以下步骤：

S1.泵浦激光器1沿z轴方向出射的激光经过一号起偏器2和四分之一波片3后转化为圆偏振光，再通过扩束系统4辐照原子气室5，主磁场线圈12沿z轴方向向原子气室5施加幅值恒定的轴向主磁场B₀；

S2.探测激光器6沿x轴方向出射的激光经过二号起偏器7转化为线偏振光，透过原子气室5后由光电探测器9接收，射频磁场线圈8沿x轴方向向原子气室5施加射频磁场，施加的射频磁场的频率等于碱金属原子在轴向主磁场下的Larmor进动频率ω_a＝γB₀，其中γ为原子气室内碱金属原子的旋磁比，光电探测器9将接收到的光信号反馈给处理器10；

S3.处理器10提取反馈光信号中碱金属原子的实际Larmor进动频率ω_L＝γB_0t，并与设定的轴向主磁场B₀对应的Larmor进动频率ω_a＝γB₀比较，得到实际磁场强度B_0t与设定的轴向主磁场B₀的偏差ΔB₀＝B₀-B_0t，通过磁场产生控制器11对主磁场线圈12的驱动电流进行调整，实现对轴向磁场强度的闭环控制，使其稳定在设定的轴向主磁场B₀；

S4.调节一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₀₁和二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₀₂，实现轴向磁场与原子气室的对准：本发明利用了轴向磁场与原子气室位置偏差会导致的碱金属横向弛豫时间缩短的现象。[具体参见“李莹颖.核磁共振原子自旋陀螺仪中Bloch方程的应用研究[D].国防科学技术大学硕士学位论文,2013.”]。

S4.1磁场产生控制器11控制射频磁场线圈8，实现对碱金属横向弛豫时间的测量，磁场产生控制器11扫描一号位置调节磁场线圈13驱动电流，同时保持二号位置调节磁场线圈14的驱动电流不变，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器11输出的一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₀₁；

S4.2磁场产生控制器11保持一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₀₁，同时扫描二号位置调节磁场线圈14的驱动电流，测量得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器11输出的二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₀₂；

S4.3磁场产生控制器11保持二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₀₂,重复步骤S4.1，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器11输出的一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₁₁；

S4.4磁场产生控制器11保持一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₁₁,重复步骤S4.2，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器11输出的二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₁₂；

S4.5重复S4.1-S4.4，直到一号位置调节磁场线圈13的驱动电流I₁和二号位置调节磁场线圈14的驱动电流I₂无明显变化；

S4.6设置磁场产生控制器11对一号位置调节磁场线圈13的驱动电流为I₁，对二号位置调节磁场线圈14的驱动电流为I₂，即实现了轴向磁场与原子气室的对准。

Claims (3)

1.一种用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置，其特征在于：所述装置包括光泵浦发生组件(S1)、磁场强度和位置探测组件(S2)、磁场位置调节组件(S3)以及磁场发生控制组件(S4)，所述光泵浦发生组件(S1)用于产生光泵浦现象，所述磁场强度和位置探测组件(S2)用于测量轴向磁场强度以及轴向磁场与原子气室的位置偏差，所述磁场位置调节组件(S3)用于形成新的可控制的调节磁场，调整轴向磁场的位置，所述磁场发生控制组件(S4)通过比较原子气室中碱金属原子的实际Larmor进动频率ω_L＝γB_0t与设定的轴向主磁场强度B₀对应的Larmor进动频率ω_a＝γB₀，控制主磁场线圈调整轴向磁场强度，控制射频磁场线圈实现轴向磁场位置和强度探测，控制两组位置调节磁场线圈调节轴向磁场与原子气室的相对位置，以实现轴向磁场与原子气室的空间对准，其中，γ为原子气室内碱金属原子的旋磁比，B_0t为实际磁场强度，B₀为设定的轴向主磁场强度；

所述光泵浦发生组件(S1)包含泵浦激光器(1)、一号起偏器(2)、四分之一波片(3)、扩束系统(4)、充有碱金属蒸汽和缓冲气体的原子气室(5)和主磁场线圈(12)，所述泵浦激光器(1)、一号起偏器(2)、四分之一波片(3)、扩束系统(4)、充有碱金属蒸汽和缓冲气体的原子气室(5)位于同一光路上，并且该光路的轴线及主磁场线圈(12)的轴线与z轴重合；

所述磁场强度和位置探测组件(S2)包含探测激光器(6)、二号起偏器(7)、射频磁场线圈(8)和光电探测器(9)，所述探测激光器(6)、二号起偏器(7)、射频磁场线圈(8)和光电探测器(9)位于同一光路上，并且该光路的轴线与x轴重合；

所述磁场位置调节组件(S3)包含一号位置调节磁场线圈(13)和二号位置调节磁场线圈(14)，且一号位置调节磁场线圈(13)和二号位置调节磁场线圈(14)的轴线与z轴平行但不重合；当用所述磁场位置调节组件(S3)来调整轴向磁场与原子气室在x方向上相对位置的偏移时，一号位置调节磁场线圈(13)和二号位置调节磁场线圈(14)的轴线与x轴分别交于x＝b点和x＝-b点；当用所述磁场位置调节组件(S3)来调整轴向磁场与原子气室在y方向上相对位置的偏移，一号位置调节磁场线圈(13)和二号位置调节磁场线圈(14)的轴线与y轴分别交于y＝b点和y＝-b点；

所述磁场发生控制组件(S4)包含处理器(10)和磁场产生控制器(11)，其中处理器(10)与光电探测器(9)连接，用于测量碱金属原子的Larmor进动频率和横向弛豫时间，磁场产生控制器(11)分别与射频磁场线圈(8)、主磁场线圈(12)、一号位置调节磁场线圈(13)和二号位置调节磁场线圈(14)相连，对磁场线圈提供驱动电流、控制磁场强度。

2.根据权利要求1所述用于光泵浦装置中的轴向磁场调整装置，其特征在于：b的取值近似等于原子气室沿探测光方向的长度。

3.一种权利要求1所述装置中的轴向磁场调整方法，其特征在于该方法具体包含以下步骤：

S1.泵浦激光器(1)沿z轴方向出射的激光经过一号起偏器(2)和四分之一波片(3)后转化为圆偏振光，再通过扩束系统(4)辐照原子气室(5)，主磁场线圈(12)沿z轴方向向原子气室(5)施加幅值恒定的设定的轴向主磁场强度B₀；

S2.探测激光器(6)沿x轴方向出射的激光经过二号起偏器(7)转化为线偏振光，透过原子气室(5)后由光电探测器(9)接收，射频磁场线圈(8)沿x轴方向向原子气室(5)施加射频磁场，施加的射频磁场的频率等于碱金属原子在轴向主磁场下的Larmor进动频率ω_a＝γB₀，光电探测器(9)将接收到的光信号反馈给处理器(10)；

S3.处理器(10)提取反馈光信号中碱金属原子的实际Larmor进动频率ω_L＝γB_0t，并与设定的轴向主磁场强度B₀对应的Larmor进动频率ω_a＝γB₀比较，得到实际磁场强度B_0t与设定的轴向主磁场强度B₀的偏差ΔB₀＝B₀-B_0t，通过磁场产生控制器(11)对主磁场线圈(12)的驱动电流进行调整，实现对轴向磁场强度的闭环控制，使其稳定在设定的轴向主磁场强度B₀；

S4.调节一号位置调节磁场线圈(13)的驱动电流为I₀₁和二号位置调节磁场线圈(14)的驱动电流为I₀₂，实现轴向磁场与原子气室的对准：

S4.1磁场产生控制器(11)控制射频磁场线圈(8)，实现对碱金属横向弛豫时间的测量，磁场产生控制器(11)扫描一号位置调节磁场线圈(13)驱动电流，同时保持二号位置调节磁场线圈(14)的驱动电流不变，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器(11)输出的一号位置调节磁场线圈(13)的驱动电流为I₀₁；

S4.2磁场产生控制器(11)保持一号位置调节磁场线圈(13)的驱动电流为I₀₁，同时扫描二号位置调节磁场线圈(14)的驱动电流，测量得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器(11)输出的二号位置调节磁场线圈(14)的驱动电流为I₀₂；

S4.3磁场产生控制器(11)保持二号位置调节磁场线圈(14)的驱动电流为I₀₂,重复步骤S4.1，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器(11)输出的一号位置调节磁场线圈(13)的驱动电流为I₁₁；

S4.4磁场产生控制器(11)保持一号位置调节磁场线圈(13)的驱动电流为I₁₁,重复步骤S4.2，得到横向弛豫时间处于极大值时，磁场产生控制器(11)输出的二号位置调节磁场线圈(14)的驱动电流为I₁₂；

S4.5重复步骤S4.1-S4.4，直到一号位置调节磁场线圈(13)的驱动电流I₁和二号位置调节磁场线圈(14)的驱动电流I₂无明显变化；

S4.6设置磁场产生控制器(11)对一号位置调节磁场线圈(13)的驱动电流为I₁，对二号位置调节磁场线圈(14)的驱动电流为I₂，即实现了轴向磁场与原子气室的对准。