CN106291409B - 一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，该装置包括：泵浦光源、探测光源、第一分束器、第二分束器、四分之一波片、二分之一波片、原子气室、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器、偏振分析单元、第一亥姆霍兹线圈、第二亥姆霍兹线圈、磁屏蔽层和信号处理单元。本发明消除了多普勒展宽对泵浦和探测过程的影响，提高了原子传感器的精度和稳定性，增强了原子传感器对光学元器件振动噪声的抗扰能力，提高了原子传感器对杂散磁场的屏蔽效果。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量或惯性测量领域，具体而言，尤其涉及一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置。
背景技术
原子传感器的基础是极化原子的自旋进动，自旋进动改变原子介质的吸收和色散性质，进而使得通过原子介质的线偏振光的偏振方向发生旋转，通过测量偏振方向的旋转即可得到极化原子的自旋进动频率，从而实现对决定自旋进动频率的物理量的传感，如对磁场和转动的精密测量。
在传统的原子传感器设计中，极化原子介质的泵浦光和测量自旋进动频率的探测光均在单向透过原子介质后即被遮光物吸收或被光电探测器接收，且在光路内不集成用于稳定光源频率的原子光谱或超稳腔。这种设计存在以下问题：(1)由于缺少原子光谱或超稳腔，原子传感器无法解决光源频率的长时漂移问题，限制了其稳定性的提高；(2)由于原子介质存在速度分布，单向透射的泵浦光和探测光因多普勒展宽将同时覆盖原子介质的多个超精细能级跃迁，使得原子传感器对原子介质的泵浦和探测只能达到精细能级跃迁的精度，限制了其精度的提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，解决了多普勒展宽和光源频率稳定的问题，提高了原子传感器的精度和稳定性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，该装置包括：泵浦光源、探测光源、第一分束器、第二分束器、四分之一波片、二分之一波片、原子气室、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器、偏振分析单元、第一亥姆霍兹线圈、第二亥姆霍兹线圈、磁屏蔽层和信号处理单元；其中，泵浦光源的出射光、第一分束器的中心、四分之一波片的中心轴线、原子气室的中心、第一反射镜的中心轴线和第一亥姆霍兹线圈的中心轴线位于同一第一光轴，光电探测器位于第一分束器的一侧，沿第一光轴依次设置泵浦光源、第一分束器、四分之一波片、原子气室和第一反射镜，第一亥姆霍兹线圈的中心轴线的中点与原子气室的中心相重合，信号处理单元分别与光电探测器和泵浦光源相连接；探测光源的出射光、二分之一波片的中心轴线、第二分束器的中心、原子气室的中心、第二反射镜的中心轴线和第二亥姆霍兹线圈的中心轴线位于同一第二光轴，偏振分析单元位于第二分束器的一侧，沿第二光轴依次设置探测光源、二分之一波片、第二分束器、原子气室和第二反射镜，第二亥姆霍兹线圈的中心轴线的中点与原子气室的中心相重合，信号处理单元分别与偏振分析单元和探测光源相连接；磁屏蔽层包设于原子气室、第一反射镜、第二反射镜第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，磁屏蔽层开设有第一通光孔和第二通光孔；泵浦光源的出射光通过第一分束器和四分之一波片变为圆偏振泵浦光，圆偏振泵浦光经第一通光孔通过原子气室后被第一反射镜沿原光路反射，入射圆偏振泵浦光与反射圆偏振泵浦光在原子气室内形成圆偏振驻波泵浦光场，第一亥姆霍兹线圈产生一个恒定磁场，恒定磁场提供极化量子轴，圆偏振驻波泵浦光场将原子气室中的原子介质沿极化量子轴极化到同一自旋态形成极化原子介质，圆偏振驻波泵浦光场形成消除多普勒展宽的第一亚多普勒原子光谱，第一分束器采集部分携带第一亚多普勒原子光谱光信号的反射泵浦光，反射到光电探测器，光电探测器接收第一亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第一亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元接收第一亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第一稳频误差信号，并反馈到泵浦光源，泵浦光源根据第一稳频误差信号将其频率稳定在泵浦所需的超精细能级跃迁频率；探测光源的出射光通过二分之一波片和第二分束器变为线偏振探测光，线偏振探测光经第二通光孔通过原子气室后被第二反射镜沿原光路反射，入射线偏振探测光与反射线偏振探测光在原子气室内形成线偏振驻波探测光场，第二亥姆霍兹线圈产生一个恒定磁场或与极化原子介质的自旋进动频率共振的交变磁场，激发极化原子介质的自旋进动，线偏振驻波探测光场形成消除多普勒展宽的第二亚多普勒原子光谱，第二分束器采集部分携带第二亚多普勒原子光谱光信号的反射探测光，反射到偏振分析单元，偏振分析单元接收第二亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第二亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元接收第二亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第二稳频误差信号和携带极化原子介质的自旋进动频率的信息的输出信号，其中，第二稳频误差信号反馈到探测光源，探测光源根据第二亚多普勒原子光谱电信号将其频率稳定在探测所需的超精细能级跃迁频率，所述输出信号对该原子传感器装置在极化量子轴方向的转动和外界磁场在极化量子轴方向的磁场分量敏感。
进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述原子介质为碱土金属原子介质。
进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述第一分束器的分光比为1：99至1：9。
进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述第一分束器的分光比为1：99至1：9。
进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述第一反射镜为一面镀银的全反射镜。
进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述第二反射镜为一面镀银的全反射镜。
进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述泵浦光源为分布反馈式二极管激光器，功率为20-40mW。
进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述探测光源为分布反馈式二极管激光器，功率为10mW。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1)本发明构造了圆偏振驻波泵浦光场和线偏振驻波探测光场，实现了亚多普勒原子光谱在原子气室内的集成，将泵浦光源和探测光源的频率稳定在超精细能级跃迁频率上，消除了多普勒展宽对泵浦和探测过程的影响，提高了原子传感器的精度和稳定性；
2)本发明构造了驻波泵浦和探测光场，使得入射光与反射光的光路基本重合，增强了集成亚多普勒原子光谱对光学元器件振动噪声的抗扰能力，进一步提高了原子传感器的稳定性；
3)本发明相比于现有技术中单向透射式光路，减少了磁屏蔽层上的通光孔数量，提高了原子传感器对杂散磁场的屏蔽效果；
4)本发明提出采用碱土金属原子作为原子介质，相比于现有技术中使用的碱金属原子介质，基态碱土金属原子的碰撞不会造成核自旋的自旋弛豫，提高了原子传感器的性能。
附图说明
图1示出了本发明的实施例提供的基于超精细能级稳频的原子传感器装置的结构示意图；
图2示出了本发明的实施例提供的泵浦过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1示出了本发明的实施例提供的基于超精细能级稳频的原子传感器装置的结构示意图。如图1所示，该基于超精细能级稳频的原子传感器装置包括：泵浦光源1、探测光源2、第一分束器3、第二分束器4、四分之一波片5、二分之一波片6、原子气室7、第一反射镜8、第二反射镜9、光电探测器10、偏振分析单元11、第一亥姆霍兹线圈12、第二亥姆霍兹线圈13、磁屏蔽层14和信号处理单元15。具体实施时，泵浦光源1可以为分布反馈式二极管激光器，中心波长(以钾原子为例)对应D1线共振跃迁波长(一般碱金属的共振跃迁可分为D1线和D2线两类，详见C.Foot,Atomic Phys ics,牛津大学出版社)，其功率为20-40mW，偏振态为线偏振；探测光源2为分布反馈式二极管激光器，中心波长(以钾原子为例)与D1线共振跃迁波长相差0.2nm，其功率为10mW，偏振态为线偏振；泵浦光源的光斑高斯半径约为探测光源的光斑高斯半径的2倍；第一分束器3的分光比为1：99至1：9；第二分束器4的分光比为1：99至1：9。其中，
泵浦光源1的出射光、第一分束器3的中心、四分之一波片5的中心轴线、原子气室7的中心、第一反射镜8的中心轴线和第一亥姆霍兹线圈12的中心轴线位于同一第一光轴，光电探测器10位于第一分束器3的一侧，沿第一光轴依次设置泵浦光源1、第一分束器3、四分之一波片5、原子气室7和第一反射镜8，第一亥姆霍兹线圈12的中心轴线的中点与原子气室7的中心相重合，信号处理单元15分别与光电探测器10和泵浦光源1相连接。
探测光源2的出射光、二分之一波片6的中心轴线、第二分束器4的中心、原子气室7的中心、第二反射镜9的中心轴线和第二亥姆霍兹线圈13的中心轴线位于同一第二光轴，偏振分析单元11位于第二分束器4的一侧，沿第二光轴依次设置探测光源2、二分之一波片6、第二分束器4、原子气室7和第二反射镜9，第二亥姆霍兹线圈13的中心轴线的中点与原子气室7的中心相重合，信号处理单元15分别与偏振分析单元11和探测光源2相连接。
磁屏蔽层14包设于原子气室7、第一反射镜8、第二反射镜9、第一亥姆霍兹线圈12和第二亥姆霍兹线圈13，磁屏蔽层14开设有通过圆偏振泵浦光的第一通光孔141和通过线偏振探测光的第二通光孔142。具体实施时，第一通光孔141和第二通光孔142的直径大小刚好能够允许光通过。本实施例中的磁屏蔽层相比于现有技术中单向透射式光路的磁屏蔽层，减少了通光孔数量，提高了原子传感器对杂散磁场的屏蔽效果。
图2示出了本发明的实施例提供的泵浦过程示意图。如图2所示，泵浦光源1的偏振态为σ+圆偏振，受跃迁选择定则的限制，布居在基态超精细能级mF＝-1/2自旋态上的原子被激发到激发态超精细能级mF＝1/2自旋态上，之后，布居在激发态超精细能级mF＝1/2自旋态上的原子自发辐射一个光子演化到基态超精细能级mF＝1/2自旋态，由于这个自旋态不存在任何满足跃迁选择定则的激发态，布居其上的原子数将不断增加，这就是泵浦过程。由于初始时均匀布居在基态各个自旋态上的原子被泵浦到同一个自旋态上，原子介质产生了极化，其自旋将指向极化量子轴。一般来说，当激发态超精细能级的自旋态数目等于基态超精细能级的自旋态数目时，通过这两个态之间的超精细能级跃迁可以最为高效的实现原子介质的泵浦极化。
工作时，泵浦光源1的出射光通过第一分束器3，由于第一分束器3具有分光比，大部分出射光都透过第一分束器3到达四分之一波片5，例如第一分束器3的分光比为1：99，则有99％的出射光到达四分之一波片5，只有1％的出射光被磁屏蔽层吸收，由于出射光为线偏振光，调节四分之一波片5的快轴方向，使得线偏振光的偏振方向与四分之一波片5的快轴方向之间的夹角为45。，从而透过四分之一波片5得到圆偏振泵浦光。圆偏振泵浦光通过第一通光孔141入射透过原子气室7，到达第一反射镜8，由于反射镜的镜面与光入射方向垂直，从而入射圆偏振泵浦光被第一反射镜8沿原光路反射，在原子气室7内入射圆偏振泵浦光与反射圆偏振泵浦光形成圆偏振驻波泵浦光场，同时也形成了第一亚多普勒原子光谱结构，在此亚多普勒原子光谱中，由于多普勒效应的存在，运动原子不会同时与反射圆偏振泵浦光和入射圆偏振泵浦光发生共振，而是存在一个可观的正比于原子速度的失谐，此失谐使得反射圆偏振泵浦光无法探测到入射圆偏振泵浦光和运动原子的相互作用，而只有入射圆偏振泵浦光对原子气室7内速度分布在零附近的原子所造成的基态原子布居变化才会被反射圆偏振泵浦光探测到，进而消除了多普勒展宽对超精细能级跃迁的影响。第一亥姆霍兹线圈12产生一个恒定磁场，恒定磁场提供极化量子轴，圆偏振驻波泵浦光场将原子气室7中的原子介质沿极化量子轴极化到同一自旋态形成极化原子介质，圆偏振驻波泵浦光场形成消除多普勒展宽的第一亚多普勒原子光谱，第一分束器3采集部分携带第一亚多普勒原子光谱光信号的反射泵浦光，反射到光电探测器10，光电探测器10接收第一亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第一亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元15接收第一亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第一稳频误差信号，并反馈到泵浦光源，泵浦光源根据第一稳频误差信号将其频率稳定在如图2所示的所需的超精细能级跃迁频率上，实现对原子介质的最为高效的泵浦极化。
在原子介质被极化后，使用第二亥姆霍兹线圈13产生一个恒定磁场或与极化原子介质的自旋进动频率共振的交变磁场，都可以激发极化原子介质的自旋进动。当该原子传感器装置在极化量子轴方向存在转动或外界磁场在极化量子轴方向存在磁场分量时，极化原子的角动量同时发生改变，使得极化原子以不同的频率自旋进动，该原子传感器装置在极化量子轴方向的转动或外界磁场在极化量子轴方向的磁场分量与极化原子介质的自旋进动频率的变化量成线性关系，因此，使用探测光源2测量极化原子介质的自旋进动频率即可实现对本实施中该原子传感器装置在极化量子轴方向的转动和外界磁场在极化量子轴方向的磁场分量的精密测量。
探测光源2的出射光通过二分之一波片6和第二分束器4变为线偏振探测光，线偏振探测光通过第二通光孔142入射透过原子气室7，到达第二反射镜9，由于反射镜的镜面与光入射方向垂直，从而入射线偏振探测光被第二反射镜9沿原光路反射，入射线偏振探测光与反射线偏振探测光在原子气室7内形成线偏振驻波探测光场，同时也形成了第二亚多普勒原子光谱结构，在此亚多普勒原子光谱中，由于多普勒效应的存在，运动原子不会同时与反射线偏振探测光和入射线偏振探测光发生共振，而是存在一个可观的正比于原子速度的失谐，此失谐使得反射线偏振探测光无法探测到入射线偏振探测光和运动原子的相互作用，而只有入射线偏振探测光对原子气室7内速度分布在零附近的原子所造成的基态原子布居变化才会被反射线偏振探测光探测到，进而消除了多普勒展宽对超精细能级跃迁的影响。第二亥姆霍兹线圈13产生一个恒定磁场或与极化原子介质的自旋进动频率共振的交变磁场，激发极化原子介质的自旋进动，线偏振驻波探测光场形成消除多普勒展宽的第二亚多普勒原子光谱，第二分束器4采集部分携带第二亚多普勒原子光谱光信号的反射探测光，反射到偏振分析单元11，偏振分析单元11接收第二亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第二亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元15接收第二亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第二稳频误差信号和携带极化原子介质的自旋进动频率的信息的输出信号，其中，第二稳频误差信号反馈到探测光源2，探测光源2根据第二亚多普勒原子光谱电信号将其频率稳定在探测所需的超精细能级跃迁频率，携带极化原子介质的自旋进动频率的信息的输出信号对该原子传感器装置在极化量子轴方向的转动和外界磁场在极化量子轴方向的磁场分量敏感，是原子传感器的输出信号。
本实施例构造了圆偏振驻波泵浦光场和线偏振驻波探测光场，实现了亚多普勒原子光谱在原子气室内的集成，将泵浦光源和探测光源的频率稳定在超精细能级跃迁频率上，消除了多普勒展宽对泵浦和探测过程的影响，提高了原子传感器的精度和稳定性；由于入射光与反射光的光路基本重合，本实施例增强了集成亚多普勒原子光谱对光学元器件振动噪声的抗扰能力，进一步提高了原子传感器的稳定性；相比于现有技术中单向透射式光路，本实施例减少了磁屏蔽层上的通光孔数量，提高了原子传感器对杂散磁场的屏蔽效果。
上述实施例中，原子介质为碱土金属原子介质。在原子气室7内放置碱土金属原子介质。如图2所示，不同自旋态之间由于碰撞而产生自旋交换，自旋交换将原本极化到同一自旋态上的原子又重新分布到不同的自旋态上，破坏泵浦极化，这就是自旋弛豫。在本实施例中，在原子气室7内封装核自旋态守恒的碱土金属原子，由于碱土金属原子基态的核自旋和电子角动量之间不存在耦合，因而热原子之间的碰撞不会造成极化到同一自旋态上的基态原子在不同核自旋态之间的重新分布，从而抑制了自旋弛豫，提高了原子传感器的性能。
上述实施例中，第一反射镜8为一面镀银的全反射镜。由于第一反射镜8的一面为镀银，从而使得第一反射镜8反射圆偏振泵浦光的效果好。
上述实施例中，第二反射镜9为一面镀银的全反射镜。由于第二反射镜9的一面为镀银，从而使得第二反射镜9反射线偏振探测光的效果好。
本发明构造了圆偏振驻波泵浦光场和线偏振驻波探测光场，实现了亚多普勒原子光谱在原子气室内的集成，将泵浦光源和探测光源的频率稳定在超精细能级跃迁频率上，消除了多普勒展宽对泵浦和探测过程的影响，提高了原子传感器的精度和稳定性，同时，反射式光路设计降低了原子传感器对光学元器件振动的敏感性，也减少了磁屏蔽层的开孔数量，提高了原子传感器对杂散磁场的屏蔽效果。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于包括：泵浦光源(1)、探测光源(2)、第一分束器(3)、第二分束器(4)、四分之一波片(5)、二分之一波片(6)、原子气室(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、光电探测器(10)、偏振分析单元(11)、第一亥姆霍兹线圈(12)、第二亥姆霍兹线圈(13)、磁屏蔽层(14)和信号处理单元(15)；其中，
泵浦光源(1)的出射光、第一分束器(3)的中心、四分之一波片(5)的中心轴线、原子气室(7)的中心、第一反射镜(8)的中心轴线和第一亥姆霍兹线圈(12)的中心轴线位于同一第一光轴，光电探测器(10)位于第一分束器(3)的一侧，沿第一光轴依次设置泵浦光源(1)、第一分束器(3)、四分之一波片(5)、原子气室(7)和第一反射镜(8)，第一亥姆霍兹线圈(12)的中心轴线的中点与原子气室(7)的中心相重合，信号处理单元(15)分别与光电探测器(10)和泵浦光源(1)相连接；
探测光源(2)的出射光、二分之一波片(6)的中心轴线、第二分束器(4)的中心、原子气室(7)的中心、第二反射镜(9)的中心轴线和第二亥姆霍兹线圈(13)的中心轴线位于同一第二光轴，偏振分析单元(11)位于第二分束器(4)的一侧，沿第二光轴依次设置探测光源(2)、二分之一波片(6)、第二分束器(4)、原子气室(7)和第二反射镜(9)，第二亥姆霍兹线圈(13)的中心轴线的中点与原子气室(7)的中心相重合，信号处理单元(15)分别与偏振分析单元(11)和探测光源(2)相连接；
原子气室(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第一亥姆霍兹线圈(12)和第二亥姆霍兹线圈(13)均设置于磁屏蔽层(14)的内部，磁屏蔽层(14)开设有第一通光孔(141)和第二通光孔(142)；
泵浦光源(1)的出射光通过第一分束器(3)和四分之一波片(5)变为圆偏振泵浦光，圆偏振泵浦光经第一通光孔(141)通过原子气室(7)后被第一反射镜(8)沿原光路反射，入射圆偏振泵浦光与反射圆偏振泵浦光在原子气室(7)内形成圆偏振驻波泵浦光场，第一亥姆霍兹线圈(12)产生一个恒定磁场，恒定磁场提供极化量子轴，圆偏振驻波泵浦光场将原子气室(7)中的原子介质沿极化量子轴极化到同一自旋态，形成极化原子介质，圆偏振驻波泵浦光场形成消除多普勒展宽的第一亚多普勒原子光谱，第一分束器(3)采集部分携带第一亚多普勒原子光谱光信号的反射泵浦光，反射到光电探测器(10)，光电探测器(10)接收第一亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第一亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元(15)接收第一亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第一稳频误差信号，并反馈到泵浦光源(1)，泵浦光源(1)根据第一稳频误差信号将其频率稳定在泵浦所需的超精细能级跃迁频率；
探测光源(2)的出射光通过二分之一波片(6)和第二分束器(4)变为线偏振探测光，线偏振探测光经第二通光孔(142)通过原子气室(7)后被第二反射镜(9)沿原光路反射，入射线偏振探测光与反射线偏振探测光在原子气室(7)内形成线偏振驻波探测光场，第二亥姆霍兹线圈(13)产生一个恒定磁场或与极化原子介质的自旋进动频率共振的交变磁场，激发极化原子介质的自旋进动，线偏振驻波探测光场形成消除多普勒展宽的第二亚多普勒原子光谱，第二分束器(4)采集部分携带第二亚多普勒原子光谱光信号的反射探测光，反射到偏振分析单元(11)，偏振分析单元(11)接收第二亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第二亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元(15)接收第二亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第二稳频误差信号和携带极化原子介质的自旋进动频率的信息的输出信号，其中，第二稳频误差信号反馈到探测光源(2)，探测光源(2)根据第二亚多普勒原子光谱电信号将其频率稳定在探测所需的超精细能级跃迁频率，所述输出信号对该原子传感器装置在极化量子轴方向的转动和外界磁场在极化量子轴方向的磁场分量敏感。
2.根据权利要求1所述的基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于：所述原子介质为碱土金属原子介质。
3.根据权利要求1所述的基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于：所述第一分束器(3)的分光比为1：99至1：9。
4.根据权利要求1所述的基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于：所述第二分束器(4)的分光比为1：99至1：9。
5.根据权利要求1所述的基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于：所述第一反射镜(8)为一面镀银的全反射镜。
6.根据权利要求1所述的基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于：所述第二反射镜(9)为一面镀银的全反射镜。
7.根据权利要求1所述的基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于：所述泵浦光源(1)为分布反馈式二极管激光器，功率为20-40mW。
8.根据权利要求1所述的基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于：所述探测光源(2)为分布反馈式二极管激光器，功率为10mW。
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