CN106226713A - 一种serf原子磁强计的光频移抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SERF原子磁强计的光频移抑制方法。常规的SERF原子磁强计光频移抑制方法是将其抽运光频率调节至原子吸收光谱的谱线中心，但是由于SERF原子磁强计的碱金属气室具有高原子密度和大缓冲气体压力的特点，其谱线的中心难以精确获得，因此常规光频移抑制方法精度不高。本发明涉及的方法是分别在两个不同的抽运光光强下，利用三维原位磁补偿技术，测量不同抽运光频率对应的原子感受到磁场大小，将测量数据进行理论拟合和解算后，可以精确找到光频移零点，从而实现光频移的充分抑制。这种方法不依赖于原子吸收光谱的测量，其光频移抑制水平取决于磁补偿精度，因此相比常规方法具有更高的抑制精度。

Description

一种SERF原子磁强计的光频移抑制方法

技术领域

本发明涉及一种SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计的光频移抑制方法，属于原子磁强计领域，也可以用于原子自旋陀螺领域。

背景技术

光频移是一种原子磁强计中常见的误差，当圆偏振的抽运光作用原子时，由于ACstark效应会引起原子塞曼能级的移动从而产生光频移。对于原子磁强计而言它相当于一个“虚假”磁场，因此会导致测量误差。

SERF原子磁强计是一种超高灵敏度的原子磁强计，常规的光频移抑制方法是将抽运光频率调节至原子吸收光谱的谱线中心，这一方法的缺点在于依赖谱线的测量精度。由于SERF磁强计的碱金属原子密度及缓冲气体压力很大，这会引起谱线的大幅展宽和对探测光的强烈吸收，从而导致谱线中心的测量精度很低，这制约了光频移的抑制精度。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有光频移抑制方法依赖于原子吸收光谱的谱线中心测量精度的问题，提供一种高精度的SERF原子磁强计光频移的抑制方法，利用三维原位磁补偿技术，通过测量两组不同光强下抽运光频率及其对应的磁补偿值，计算得到光频移零点。这一方法不依赖于原子吸收光谱的测量，其光频移抑制水平取决于磁补偿精度，因而可大幅提高光频移的抑制精度。

本发明的技术解决方案为：一种SERF磁强计光频移的抑制方法，步骤如下：

(1)将抽运激光器输出激光的频率调节至碱金属原子D1线附近；通过调节抽运激光器的电流，将抽运光光强调节至一固定值I_pump1，在碱金属原子D1线附近改变抽运光频率，在每一个频率v_pump下分别进行三维原位磁补偿，得到对应的抽运光方向磁补偿值

(2)完成步骤(1)后，将抽运光光强调节至另一个值I_pump2，在碱金属原子D1线附近改变抽运光频率，在每一个频率v_pump下分别进行三维原位磁补偿，得到另一组磁补偿值

(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的抽运光频率v_pump和两组磁补偿值和分别进行数据拟合，拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{z\_1}^0=B_z^{resi}+k_{LS}{I}_{pump1}(v_{pump}-v_{D1})\\ B_{z\_2}^0=B_z^{resi}+k_{LS}{I}_{pump2}(v_{pump}-v_{D1})\end{array}\right.$

其中为屏蔽桶内抽运光方向的剩磁，k_LS是一个与抽运光光强成正比的常数，v_D1为碱金属原子D1线的中心频率；

(4)将上述两个线性拟合公式联立，计算得到碱金属原子D1线的中心频率v_D1，从而解算得到光频移零点对应的抽运光频率；

(5)将抽运光调节至步骤(4)中解算得到的v_D1，即完成了光频移的抑制。

所述碱金属气室中的原子工作于SERF态。

所述的三维原位磁补偿技术，是利用磁强计输出信号中的信息，通过函数发生器控制三维磁场线圈产生的磁场补偿碱金属气室中原子感受到的磁场，使碱金属气室中原子感受到的磁场为0。

本发明与现有技术相比的优点在于：常规的SERF原子磁强计光频移抑制方法是将其抽运光频率调节至原子吸收光谱的谱线中心，但是由于SERF原子磁强计的碱金属气室具有高原子密度和大缓冲气体压力的特点，其谱线的中心难以精确获得，因此常规光频移抑制方法精度不高。本发明涉及的方法是分别在两个不同的抽运光光强下，利用三维原位磁补偿技术，测量不同抽运光频率对应的原子感受到磁场大小，将测量数据进行理论拟合和解算后，可以精确找到光频移零点，从而实现光频移的充分抑制。这种方法不依赖于原子吸收光谱的测量，其光频移抑制水平取决于磁补偿精度，因此相比常规方法具有更高的抑制精度。

附图说明

图1为本发明的SERF原子磁强计的光频移抑制方法流程图；

图2为本发明中SERF原子磁强计的光频移抑制方法实验系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明具体实施步骤如下：

(1)实现本发明所利用的实验装置如图2所示。其中碱金属气室8安装于屏蔽桶18内并加热至碱金属原子数密度达到10¹³～10¹⁴个/cm³量级，以保证原子工作于SERF态。将抽运光激光器2输出的激光频率调节至碱金属原子D1线附近，其输出的激光通过光纤分束器5分束后，一束进入波长计3用于监测其频率，另一束通过光纤准直器6转换为空间光，之后经过1/4波片7成为圆偏振光照射碱金属气室8，实现对原子的抽运。检测激光器1输出的激光通过光纤传输至光纤准直器9后转换为空间光，之后经过起偏器10变为线偏振光后通过反射镜11进入气室，其线偏振角发生微小改变从而实现原子进动信号的检测，之后分别经过反射镜12和1/2波片13，进入渥拉斯通棱镜14，渥拉斯通棱镜14将检测光分为两束进入差分探测器15，差分探测器15输出磁强计信号16。

(2)通过调节抽运激光器2的电流，将抽运光光强调节至一固定值I_pump1，在碱金属原子D1线附近改变抽运光频率，在每一个抽运光频率v_pump下，利用磁强计信号16，采用三维原位磁补偿技术，通过函数发生器4控制三维磁场线圈18产生的磁场补偿碱金属气室8中原子感受到的磁场，使原子感受到的磁场为0，得到对应的抽运光方向磁补偿值此补偿值包含抽运光引起的光频移B_{LS_1}(v_pump)和磁屏蔽桶的剩磁

$B_{z\_1}^c\left(v_{pump}\right)=B_z^{resi}+B_{LS\_1}\left(v_{pump}\right)$

(3)完成步骤(2)后，将抽运光光强调节至另一个值I_pump2，其它过程与步骤(2)相同，得到另一组磁补偿值

$B_{z\_2}^c\left(v_{pump}\right)=B_z^{resi}+B_{LS\_2}\left(v_{pump}\right)$

(4)根据理论公式，对两组抽运光频率—磁补偿值数据进行线性拟合。在谱线大压力展宽的条件下，光频移的理论公式为：

$B_{LS}=-\frac{r_e{\mathrm{cf}}_{D1}{\mathrm{\φ}}_{pump}}{{\mathrm{\γ}}_e}\frac{v_{pump}-v_{D1}}{{(v_{pump}-v_{D1})}^2+{({\mathrm{\Γ}}_{D1}/2)}^2}$

其中B_LS为光频移大小，r_e为经典原子半径，c为光速，f_D1为碱金属原子D1线振荡强度，γe为电子的旋磁比，φ_pump为光子通量，它与抽运光光强成正比，Γ_D1为缓冲气体导致的谱线压力展宽值，ν_D1为D1线中心频率。

当抽运光失谐量Δv_pump＝ν_pump-ν_D1＜＜Γ_D1/2，上式可表示为：

$B_{LS}=-\frac{r_e{\mathrm{cf}}_{D1}}{{\mathrm{\γ}}_e{({\mathrm{\Γ}}_{D1}/2)}^2}{\mathrm{\φ}}_{pump}(v_{pump}-v_{D1})$

将上式中与抽运光光强以及抽运光失谐量无关的项用一个系数k_LS代替，则上式可表示为

B_LS＝k_LSI_pump(v_pump-v_D1)

因此，将步骤(2)和步骤(3)得到的抽运光频率和磁补偿值分别拟合以下两式：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{z\_1}^0=B_z^{resi}+k_{LS}{I}_{pump1}(v_{pump}-v_{D1})\\ B_{z\_2}^0=B_z^{resi}+k_{LS}{I}_{pump2}(v_{pump}-v_{D1})\end{array}\right.$

对拟合结果进行计算可知，当时，v_pump＝v_D1，从而获得实际的D1线中心频率。

(5)将抽运光频率调节至步骤(4)中解算得到的v_D1，即完成了光频移的抑制。

本发明说明书中未做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。

Claims (3)

1.一种SERF原子磁强计的光频移抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将抽运激光器输出激光的频率调节至碱金属原子D1线附近；通过调节抽运激光器的电流，将抽运光光强调节至一固定值I_pump1，在碱金属原子D1线附近改变抽运光频率，在每一个频率v_pump下分别进行三维原位磁补偿，得到对应的抽运光方向磁补偿值

(2)完成步骤(1)后，将抽运光光强调节至另一个值I_pump2，在碱金属原子D1线附近改变抽运光频率，在每一个频率v_pump下分别进行三维原位磁补偿，得到另一组磁补偿值

(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的抽运光频率v_pump和两组磁补偿值和分别进行数据拟合，拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{z\_1}^0=B_z^{resi}+k_{LS}{I}_{pump1}(v_{pump}-v_{D1})\\ B_{z\_2}^0=B_z^{resi}+k_{LS}{I}_{pump2}(v_{pump}-v_{D1})\end{array}\right.$

其中为屏蔽桶内抽运光方向的剩磁，k_LS是一个与抽运光光强成正比的常数，v_D1为碱金属原子D1线的中心频率；

(4)将上述两个线性拟合公式联立，计算得到碱金属原子D1线的中心频率v_D1，从而解算得到光频移零点对应的抽运光频率；

(5)将抽运光调节至步骤(4)中解算得到的v_D1，即完成了光频移的抑制。

2.根据权利要求1所述的SERF磁强计的光频移抑制方法，其特征在于：所述碱金属气室中的原子工作于SERF态。

3.根据权利要求1所述的SERF磁强计的光频移抑制方法，其特征在于：所述的三维原位磁补偿技术，是利用磁强计输出信号中的信息，通过函数发生器控制三维磁场线圈产生的磁场补偿碱金属气室中原子感受到的磁场，使碱金属气室中原子感受到的磁场为0。