CN106093808B - 一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置，利用处于无自旋交换弛豫(Spin‑Exchange Relaxation Free,SERF)态的碱金属原子感应外界磁场或角速率，产生原子自旋拉莫尔进动，采用电光调制器对检测激光进行电光调制，通过光电探测器检测输出光强和锁相放大器解调得到输出光强一倍频信号强度，最终由信号采集处理电路测得原子自旋进动信号，进而能够实现外界磁场或惯性测量。本发明发挥了电光调制器调制简单、体积小、灵敏度高、温度效应小、操作条件简易等优势，具有较高的灵敏度和较好的稳定性，是一种基于原子自旋效应的新型原子自旋进动检测方法，可服务于未来原子自旋传感器件的工业集成和实际应用。

Description

一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置
技术领域
本发明涉及量子仪器与测量的技术领域，具体涉及一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置，对研制新一代小型化、集成化的基于原子自旋效应的超高灵敏度磁场和惯性测量装置有着重要的意义和价值，将服务于未来各个领域特别是物理基础研究、地质勘探、军事国防、生物医疗等方面磁场和惯性测量应用。
背景技术
20世纪90年代末以来，原子操控和传感及其相关技术得到快速发展，以原子作为敏感介质的原子操控、传感和测量技术近年来(1997、2001、2005和2010年)获得了多项物理学诺贝尔奖，使人类获得了前所未有的精密测量能力。基于原子自旋效应的磁场测量和惯性测量已经展现出超高灵敏度和超高精度的潜力。2010年，无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)原子磁强计已经实现0.16fT/Hz1/2的人类目前最高的磁场测量灵敏度，未来有望进一步提高至aT级，其在蓬勃发展的脑科学研究中有望替代超导量子干涉(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)磁强计成为新一代脑磁测量装置。而磁源成像、脑磁图等医用需要小型化、高度集成的SERF原子磁强计。同时，SERF原子陀螺仪也以其高性能的理论精度和发展潜力崭露头角。原子自旋进动检测作为SERF原子磁场和惯性测量装置的关键技术之一，其高灵敏度、小型化对原子磁强计在磁源成像等方面的应用有着重要意义。因此，迫切需要高精度、且易于集成化、小型化的原子自旋进动检测方法，来实现基于原子自旋效应的磁场和惯性测量装置的进一步实用化。
自旋作为原子的一种内秉属性，通过光、热、磁的综合操控后，能够实现原子的SERF态，并具有宏观的指向。当外界存在磁场或角速率的输入，将引起原子自旋的拉莫尔进动，通过测量原子自旋进动就可以实现磁场或惯性的测量。在共振圆偏振光抽运碱金属原子下，原子被极化并具有圆双折射特性，对入射的线偏振光具有旋光效应。目前，原子自旋进动检测通常采用的是线偏振光的偏光检测法，例如差分偏振法、法拉第调制法、光弹调制法等。然而，差分偏振法由于缺乏调制，低频响应较差；法拉第调制法利用线圈产生可变磁场，需采用磁屏蔽和温控闭环反馈；光弹调制法由于其复杂的机械结构和控制设备也难以实现原子磁强计的小型化和集成化。为保证SERF原子磁场和惯性测量装置具有较高的检测灵敏度的同时，能够缩小体积，简化结构，便于工业集成和实际应用，提出一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置，具有调制简单、体积小、灵敏度高、温度效应小、操作条件简易等特性。本发明还提供了所述基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置的基本原理和工作方式。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于电光调制的原子自旋进动检测装置，包括检测光源、起偏器、原子传感模块、四分之一波片、电光调制器、检偏器、光电探测器、锁相放大器、信号采集处理电路和函数发生器，所述原子传感模块包括光抽运系统、碱金属气室和磁屏蔽装置；其中：
光抽运系统和磁屏蔽装置使得碱金属气室中的碱金属原子处于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)态，在原子传感模块感应外界磁场或角速率后，碱金属气室中的碱金属原子发生自旋拉莫尔进动，检测光源发出波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处的窄线宽激光通过起偏器后，经过原子传感模块，检测线偏振光与碱金属气室中碱金属原子发生相互作用，产生一个线偏振面上的偏转角，即光旋角θ，携带原子自旋进动信号的检测激光再经过四分之一波片和电光调制器，电光调制器对检测激光进行高频调制后经检偏器被光电探测器接收，通过锁相放大器解调和信号采集处理电路检测输出光强一倍频信号的变化实现原子自旋进动信号的检测。
其中，所述原子传感模块中光抽运系统和磁屏蔽装置保证碱金属气室中的原子处于SERF态，碱金属原子在感应外界磁场或角速率后产生相应大小的原子自旋拉莫尔进动信号。
其中，所述检测光源为窄线宽激光器，波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处，吸收光强较小的频率附近。
其中，所述起偏器与检偏器处于相互消光位置，消光比达到20000:1以上。
其中，所述四分之一波片的光轴方向与起偏器的透光轴方向平行。
其中，所述电光调制器采用普克尔斯盒(Pockels Cell)，其中工作物质为磷酸二氘钾(KD*P)晶体，其工作波长为700-1000nm，半波电压为5kV@800nm，消光比大于550:1。
其中，所述电光调制器的快、慢轴方向与起偏器透光轴方向夹角为45°。
其中，所述函数发生器输出频率为5-6kHz正弦调制信号，与电光调制器两个电极相连，同时为锁相放大器提供参考输入信号。
本发明还提供一种上述的基于电光调制的原子自旋进动检测装置的工作方法，包括如下步骤：
利用处于SERF态的碱金属原子感应外界磁场或角速率，产生原子自旋拉莫尔进动，采用电光调制器对检测激光进行高频调制，通过光电探测器检测输出光强和锁相放大器解调得到输出光强一倍频信号强度，最终由信号采集处理电路测得原子自旋进动信号，进而实现外界磁场或惯性测量；
当光抽运系统和磁屏蔽装置使得碱金属气室中的碱金属原子处于SERF态，并在感应外界磁场或角速率后，碱金属气室中的碱金属原子发生自旋拉莫尔进动，检测光源发出波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处的窄线宽激光通过起偏器后变成线偏振度大于等于20000:1的线偏振光，再经过原子传感模块，检测激光与碱金属气室中的碱金属原子发生相互作用，产生一个线偏振面上的偏转角，即光旋角θ，携带原子自旋进动信号的检测激光然后经过四分之一波片和电光调制器，电光调制器对检测激光施加调制频率为5-6kHz的正弦调制信号，正弦调制信号由函数发生器输出，并同时提供给锁相放大器作为参考输入信号，然后通过检偏器，检测激光到达光电探测器转换成电流信号，由锁相放大器解调出输出光强中一倍频信号，经过信号采集处理电路进行数据采集和相关处理，最终得到原子自旋进动信号强度。
本发明的原理：本发明通过采用电光调制的方法实现对原子自旋进动信号的测量，继而实现对外部输入磁场或惯性的测量。在外界磁场或角速率的作用下，处于SERF态的碱金属原子发生原子自旋拉莫尔进动，具有圆双折射特性。利用碱金属原子的圆双折射特性及对入射的线偏振光具有旋光效应，检测激光与碱金属原子相互作用后产生一个线偏振面上极小的偏转，通过采用电光调制器进行调制，锁相放大器进行解调的手段，提取检测系统输出光强的一倍频信号，并由数据采集卡进行数据采集，经相关数据处理最终测得原子自旋进动信号，进而可测得外部磁场或惯性信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明基于电光调制的原子进动检测系统及装置可以作为外部独立检测系统，也可集成于原子磁强计等装置中，有利于原子磁场和惯性测量装置的集成化应用。
(2)、本发明利用电光调制器作为原子自旋进动信号检测系统的相位调制器，能够实现高灵敏度测量极微弱的原子自旋进动信号，且调制简单，体积较小，无需磁屏蔽。
(3)、本发明利用普克尔斯盒作为电光调制器，调制电压较低，温度效应小，寿命长，对操作环境没有严格要求，扩大了系统应用范围。
附图说明
图1为本发明一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法原理光路图；
图2为本发明一种基于电光调制的原子自旋进动检测装置结构图；
附图标记列示如下：1-检测光源，2-起偏器，3-原子传感模块，4-四分之一波片，5-电光调制器，6-检偏器，7-光电探测器，8-锁相放大器，9-信号采集处理电路，10-函数发生器，11-光抽运系统，12-碱金属气室，13-磁屏蔽装置。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明的基本方案如下：
一种基于电光调制的原子自旋进动检测装置，包括检测光源、起偏器、原子传感模块、四分之一波片、电光调制器、检偏器、光电探测器、函数发生器、锁相放大器和信号采集处理电路。
所述原子传感模块由光抽运系统、磁屏蔽装置和碱金属气室组成。其中光抽运系统和磁屏蔽装置保证碱金属气室中的原子处于SERF态。碱金属原子在感应外界磁场或角速率后产生相应大小的原子自旋进动信号。
所述检测光源为窄线宽激光器，波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处，吸收光强较小的频率附近。
所述起偏器与检偏器处于相互消光位置，消光比达到20000:1以上。
所述四分之一波片的光轴方向与起偏器的透光轴方向平行。
所述电光调制器采用普克尔斯盒(Pockels Cell)作为电光晶体，工作物质为磷酸二氘钾(KD*P)晶体。其工作波长为700-1000nm，半波电压为5kV@800nm，消光比大于550:1。
所述电光调制器的快、慢轴方向与起偏器透光轴方向夹角为45°。
所述函数发生器输出频率为5-6kHz正弦调制信号，与电光调制器两个电极相连，同时为锁相放大器提供参考输入信号。
所述信号采集处理电路包括一个数据采集卡及相关控制、数据处理电路。
另外，本发明提供一种基于电光调制的原子自旋进动检测装置，按照以下工作方法实现原子自旋进动信号的测量：
处于SERF态的碱金属原子在外界磁场或角速率的作用下，引起原子自旋的拉莫尔进动。在宏观上，感应外界磁场的碱金属气室具有圆双折射特性，因此可以看作为一个旋光晶体。利用碱金属原子的圆双折射特性及对入射的线偏振光具有旋光效应，通过采用电光调制器进行调制，锁相放大器进行解调的手段，提取检测系统输出光强的一倍频信号，经相关数据采集和处理最终测得原子自旋进动信号。
当检测光源发出检测激光经起偏器成线偏振光，再经过碱金属气室。在与碱金属原子相互作用下，线偏振光产生一个线偏振面的偏角，即光旋角θ。之后通过四分之一波片和电光调制器，对线偏振光进行频率为ω的正弦信号调制。经检偏器后由光电探测器接收，通过锁相放大器提取输出光强中频率为ω的一倍频部分进行解调输出，并由信号采集处理电路进行相关处理得到光旋角θ大小，最终测得原子自旋进动信号。
进一步的，检测输出光强的一倍频信号强度Iout与检测线偏振光通过碱金属气室的线偏振面的光旋角θ的函数关系由下式描述：
Iout＝Iinθδ 式(1)
其中，检测激光输入光强为Iin，电光调制器施加的调制为δ＝δ0sinωt，δ0为调制幅度，ω为调制频率。
进一步的，检测线偏振光通过碱金属气室的线偏振面的光旋角θ与原子自旋进动信号Px成正比，由下式描述：
其中，l为气室长度，c为光速，re为电子半径，n为碱金属原子数密度，f为原子和光的作用强度，ν为光频率，ν0为碱金属原子光共振跃迁频率，D(ν-ν0)为原子对激光的色散函数，Px为原子极化率矢量沿x方向的投影，即原子自旋进动信号。
具体实施例如下：
如图1所示，一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法原理光路图，包括检测光源1、起偏器2、原子传感模块3、四分之一波片4、电光调制器5、检偏器6、光电探测器7。所述原子传感模块3包括光抽运系统11、碱金属气室12和磁屏蔽装置13；
光抽运系统11和磁屏蔽装置13使得碱金属气室12中的碱金属原子处于SERF态。在原子传感模块3感应外界磁场或角速率后，碱金属气室12中的碱金属原子发生自旋拉莫尔进动。检测光源1发出波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处的窄线宽激光通过起偏器2后，经过原子传感模块3。检测线偏振光与碱金属气室12中碱金属原子发生相互作用，产生一个线偏振面上的偏转角。携带原子自旋进动信号的检测激光再经过四分之一波片4和电光调制器5。电光调制器5对检测激光进行高频调制后经检偏器6被光电探测器7接收，通过检测输出光强的变化实现原子自旋进动信号的检测。
基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置具体实施方案是：
如图2所示，一种基于电光调制的原子自旋进动检测装置结构图，利用电光调制器对检测激光进行高频调制，通过光电探测器检测输出光强和锁相放大器解调得到输出光强一倍频信号强度，最终信号采集处理电路测得原子自旋进动信号，进而实现外界磁场和惯性测量。
当光抽运系统11和磁屏蔽装置13使得碱金属气室12中的碱金属原子处于SERF态，并在感应外界磁场或角速率后，碱金属气室12中的碱金属原子发生自旋拉莫尔进动。检测光源1发出波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处的窄线宽激光通过起偏器2后变成线偏振度大于等于20000:1的线偏振光。再经过原子传感模块3，检测激光与碱金属气室12中碱金属原子发生相互作用，产生一个线偏振面上的偏转角，即光旋角θ。携带原子自旋进动信号的检测激光然后经过四分之一波片4和电光调制器5。电光调制器5对检测激光施加调制频率为5-6kHz的正弦调制信号。正弦调制信号由函数发生器10输出，并同时提供给锁相放大器8作为参考输入信号。然后通过检偏器6，检测激光到达光电探测器7转换成电流信号。由锁相放大器8解调出输出光强中一倍频信号，经过信号采集处理电路9进行数据采集和相关处理，根据公式(1)和(2)最终得到原子自旋进动信号强度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于电光调制的原子自旋进动检测装置，其特征在于：包括检测光源(1)、起偏器(2)、原子传感模块(3)、四分之一波片(4)、电光调制器(5)、检偏器(6)、光电探测器(7)、锁相放大器(8)、信号采集处理电路(9)和函数发生器(10)，所述原子传感模块(3)包括光抽运系统(11)、碱金属气室(12)和磁屏蔽装置(13)；其中：
光抽运系统(11)和磁屏蔽装置(13)使得碱金属气室(12)中的碱金属原子处于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange RelaxationFree,SERF)态，在原子传感模块(3)感应外界磁场或角速率后，碱金属气室(12)中的碱金属原子发生自旋拉莫尔进动，检测光源(1)发出波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处的窄线宽激光通过起偏器(2)后，经过原子传感模块(3)，检测线偏振光与碱金属气室(12)中碱金属原子发生相互作用，产生一个线偏振面上的偏转角，即光旋角θ，携带原子自旋进动信号的检测激光再经过四分之一波片(4)和电光调制器(5)，电光调制器(5)对检测激光进行高频调制后经检偏器(6)被光电探测器(7)接收，通过锁相放大器(8)解调和信号采集处理电路(9)检测输出光强一倍频信号的变化实现原子自旋进动信号的检测；
所述原子传感模块(3)中光抽运系统(11)和磁屏蔽装置(13)保证碱金属气室(12)中的原子处于SERF态，碱金属原子在感应外界磁场或角速率后产生相应大小的原子自旋拉莫尔进动信号；
所述检测光源(1)为窄线宽激光器，波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处，吸收光强较小的频率附近；
所述起偏器(2)与检偏器(6)处于相互消光位置，消光比达到20000:1以上；
所述四分之一波片(4)的光轴方向与起偏器(2)的透光轴方向平行；
所述电光调制器(5)采用普克尔斯盒(Pockels Cell)，其中工作物质为磷酸二氘钾(KD*P)晶体，其工作波长为700-1000nm，半波电压为5kV@800nm，消光比大于550:1；
所述电光调制器(5)的快、慢轴方向与起偏器(2)透光轴方向夹角为45°；
所述函数发生器(10)输出频率为5-6kHz正弦调制信号，与电光调制器(5)两个电极相连，同时为锁相放大器(8)提供参考输入信号。
2.一种根据权利要求1所述的基于电光调制的原子自旋进动检测装置的检测方法，其特征在于：
利用处于SERF态的碱金属原子感应外界磁场或角速率，产生原子自旋拉莫尔进动，采用电光调制器对检测激光进行高频调制，通过光电探测器检测输出光强和锁相放大器解调得到输出光强一倍频信号强度，最终由信号采集处理电路测得原子自旋进动信号，进而实现外界磁场；
当光抽运系统(11)和磁屏蔽装置(13)使得碱金属气室(12)中的碱金属原子处于SERF态，并在感应外界磁场或角速率后，碱金属气室(12)中的碱金属原子发生自旋拉莫尔进动，检测光源(1)发出波长在偏离原子共振峰0.2-0.5nm处的窄线宽激光通过起偏器(2)后变成线偏振度大于等于20000:1的线偏振光，再经过原子传感模块(3)，检测激光与碱金属气室(12)中的碱金属原子发生相互作用，产生一个线偏振面上的偏转角，即光旋角θ，携带原子自旋进动信号的检测激光然后经过四分之一波片(4)和电光调制器(5)，电光调制器(5)对检测激光施加调制频率为5-6kHz的正弦调制信号，正弦调制信号由函数发生器(10)输出，并同时提供给锁相放大器(8)作为参考输入信号，然后通过检偏器(6)，检测激光到达光电探测器(7)转换成电流信号，由锁相放大器(8)解调出输出光强中一倍频信号，经过信号采集处理电路(9)进行数据采集和相关处理，最终得到原子自旋进动信号强度。
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