CN107394576B - 一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置及方法，该方法基于碱金属原子气室对于检测激光的光学吸收作用和色散效应以及相位调制器的光学效应(如电光效应、磁光效应、光弹效应等)，通过监测原子磁强计光学检测系统输出的二次谐波信号，实时解算出检测光频率，并由伺服控制器及闭环控制算法，将控制信号反馈给检测光源控制模块进行相应的调节，实现大失谐检测光的频率在线测量与长时间闭环稳定。本发明发挥了系统简化，体积小，应用范围扩大，实时测量与反馈等优势，有利于小型化、集成化原子磁场测量装置的灵敏度和稳定性的提高，可服务于未来原子磁强计等量子传感仪器的工业集成和实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及量子仪器与精密测量的技术领域，具体涉及一种基于二次谐波的原子磁强计检测光波频率测量与稳定装置及方法，对于未来能够广泛应用于研究物质形态及性质、地质勘探及资源开发、生物医学诊断分析、材料工艺加工检测、水下磁性目标定位等诸多领域的新一代小型化、集成化的基于量子效应的超高灵敏度磁场装置研制具有重要实际意义和利用价值。
背景技术
随着近年来一些关键物理理论和技术取得重大突破，量子技术应用得到空前关注。量子传感和测量技术作为量子技术的分支，相对于现有的传感器，其优势在于能够使传感器的灵敏度、准确度和稳定性都提升多个数量级。例如，精准计时的原子钟已经在我们日常生活中广泛使用的通讯、互联网、卫星导航等领域发挥着不可替代的作用；基于量子效应和微加工技术的原子陀螺仪与加速度计将在构建高精度、微型化量子惯性导航系统方面有着先天优势，实现多种手段增强、多种系统融合的全球导航定位体系。基于量子效应的原子磁强计以其超高灵敏度磁场测量潜力将能满足生物测量、深海探测、地质勘探、物质成份分析等多个领域的应用需求。
原子磁强计随着技术手段的发展，其灵敏度极限不断突破，从最开始的nT水平发展到目前的fT量级甚至更低。原子磁强计主要包括核子旋进磁强计、光泵原子磁强计、超导量子干涉磁强计(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)，以及无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)原子磁强计等。2010年，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，未来有望进一步提升至aT量级。其在蓬勃发展的脑科学研究中，有望替代SQUID磁强计成为新一代脑磁、心磁测量装置，成为继心电图、脑电图、计算机断层摄影术、正电子发射扫描、磁共振成像等技术后发展的一种非侵入式、无损伤、灵敏度更高、成本更低的脑磁图、心磁图测量技术。为了满足磁源成像、脑磁图等医疗应用的小型化、多通道、阵列式的磁场测量应用需求，迫切需要研究体积更小、灵敏度更高、成本更低的脑磁、心磁测量仪器。而随着原子磁强计体积进一步缩小，会引起自身干扰磁场噪声增加、环境影响加剧、检测信号信噪比下降等一系列问题。其中，原子自旋进动检测系统作为超高灵敏度原子磁场测量装置的关键组成部分之一，碱金属原子自旋对于检测光频率、功率等十分敏感，因此保持检测激光频率稳定是抑制检测系统噪声，提高系统灵敏度的重要手段。
常用的频率稳定技术有波长计闭环稳频法，饱和吸收法，DAVLL法和偏振谱法等，通常稳频精度均可达kHz～MHz量级，稳频范围一般处于原子共振吸收峰失谐±5GHz以内(如饱和吸收法)。但对于原子磁强计的抽运、检测激光的频率而言，均需要一定的失谐量，尤其是检测激光通常需要失谐几十GHz甚至几百GHz来达到系统输出信号极大值。除了采用波长计检测分光路的激光频率进行闭环反馈稳频方法，其他几种稳频方法难以适用于如此大的频率失谐场合，而波长计法又带来了系统复杂程度和成本的提升。小型化原子磁强计普遍采用的仍然是开环方式，仅仅利用激光器自身的温度控制、电流控制，其难以保证频率的长期稳定性，且需要根据激光输出功率、频率的波动和漂移定期标定与调整。为了推动原子磁强计小型化、低成本应用场合灵敏度和稳定性的进一步提升，提出一种适用于大失谐检测激光场合的频率测量与稳定方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置及方法，具有体积小、成本低、操作条件简易、适用于大失谐频率测量等特性。本发明还提供了所述基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定方法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：一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置，包括检测光源及控制模块、起偏器、原子敏感单元、四分之一波片、相位调制器、检偏器、光电探测器、函数发生器、锁相放大器、信号采集处理电路以及伺服控制器，所述原子敏感单元包括光抽运系统、碱金属原子气室和磁屏蔽装置；其中：
原子磁强计通过光抽运系统和磁屏蔽装置极化处于密封的碱金属原子气室中的碱金属原子(如钾、铷、铯等)，此时碱金属原子对外界磁场变得十分敏感。极化的碱金属原子在感应外界磁场后产生自旋拉莫尔进动，具有圆双折射性，即对左、右旋圆偏振光分量的折射率不同，这将引起线偏振光偏振面的旋转。采用中心频率处于原子共振吸收峰至失谐几百GHz处的窄线宽激光起偏后经由碱金属原子气室，检测激光与碱金属原子发生相互作用，产生一个线偏振面的偏转角，即光旋角θ。而后经过四分之一波片和相位调制器后由光电探测器接收，转换成电信号，通过锁相放大器和信号采集处理电路检测输出光强一、二次谐波信号，最后由信号采集处理电路及伺服控制器提供控制信号反馈给检测光源控制模块，实现检测光源的频率闭环稳定。
其中，所述原子敏感单元中光抽运系统和磁屏蔽装置使得碱金属原子对外界磁场敏感，并在感应外界磁场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，输出频率处于原子共振吸收峰至失谐几百GHz处，其控制模块包含电流控制模块和温度控制模块能够通过调节电压、电流方式微调输出激光中心频率。
其中，所述起偏器与检偏器处于相互消光位置，消光比达到5000:1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，所述相位调制器包括电光调制器、法拉第调制器、光弹调制器及其它光学相位调制器，其快、慢轴方向与起偏器透光轴方向夹角为45°，并由函数发生器输出频率为ω的正弦信号对检测激光进行调制。
其中，所述锁相放大器输出一次谐波信号可以实现原子自旋进动信号的检测，进而实现对外界磁场的超高灵敏度测量；二次谐波信号则用来实现检测光频率在线测量及闭环稳定。
其中，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。
其中，所述伺服控制器通过比较系统输出二次谐波信号大小与参考的检测光源输出激光中心频率对应偏置值，采用闭环控制算法输出控制信号，反馈给检测光源控制模块。
本发明还提供一种上述的基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置的工作方式，包括如下步骤：
利用光抽运和磁屏蔽下的碱金属原子气室对于检测激光的光学吸收作用和色散效应以及电光调制器的电光效应，通过监测原子磁强计检测系统输出的二次谐波信号，解算出实时激光频率，并由伺服控制器及闭环控制算法，将控制信号反馈给检测光源控制模块进行相应的调节，进而实现检测激光的长期稳定性和小型化、高精度原子磁强计的技术需求。
检测光源输出中心频率为原子共振吸收峰至失谐几百GHz的窄线宽检测激光经由消光比大于1000:1的起偏器成为线偏振光，经过感应外界磁场的碱金属原子气室并与之发生相互作用，而后依次经过四分之一波片、相位调制器被施以频率为ω的正弦信号调制，最后由与起偏器起偏方向正交的检偏器后由光电探测器接收，转换成电信号，通过锁相放大器解调出输出光强中与调制信号对应的一、二次谐波信号分量，经过信号采集处理电路进行数据采集和相关处理，解算出实时激光频率，并由伺服控制器及闭环控制算法与参考值作对比，输出控制信号反馈给检测光源控制模块进行微调，最终实现检测激光的长期稳定。
本发明的原理：本发明基于碱金属原子气室对于大失谐检测激光具有光学吸收作用和色散效应以及相位调制器的光学效应(如电光效应、磁光效应、光弹效应等)，利用在原子磁强计的超高灵敏度检测系统中输出的二次谐波信号与检测激光的波长之间的对应关系，在检测光源光强和信号采集处理电路放大倍数等已知的情况下，通过监测二次谐波信号，可以实时解算出检测激光频率，经过与参考的激光中心频率对比，由伺服控制器以及闭环控制算法动态调节检测光源控制模块，使得大失谐检测光源实际输出激光频率保持长期稳定，从而提高了原子磁强计灵敏度和稳定性。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定方法利用检测系统自身输出信号二次谐波分量，无需额外增加波长计等外部精密测量仪器，可以与磁场测量同时进行，实现在线频率测量，有利于原子磁场测量装置的小型化、集成化应用。
(2)、本发明适用于原子磁强计中大失谐检测激光频率测量与稳定的场合，弥补了如饱和吸收法等几种常用稳频技术稳频范围有限的缺点，扩大了应用范围。
(3)、本发明利用相位调制器一方面用于调制携带原子自旋进动信号的检测激光，以实现高灵敏度、高信噪比检测；另一方面，其光学效应(如电光效应、磁光效应、光弹效应等)增强了二次谐波分量对于检测光频率的敏感度。
附图说明
图1为本发明一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定方法装置结构图；
附图标记列示如下：1-检测光源，2-起偏器，3-原子敏感单元，4-磁屏蔽装置，5-光抽运系统，6-碱金属原子气室，7-四分之一波片，8-相位调制器，9-函数发生器，10-检偏器，11-光电探测器，12-锁相放大器，13-信号采集处理电路，14-伺服控制器，15-检测光源控制模块。
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：
一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置，包括检测光源、起偏器、原子敏感单元、四分之一波片、相位调制器、函数发生器、检偏器、光电探测器、锁相放大器、信号采集处理电路、伺服控制器和检测光源控制模块。
所述原子敏感单元由光抽运系统、磁屏蔽装置和碱金属原子气室组成。其中光抽运系统和磁屏蔽装置使得碱金属气室中的原子对外界磁场十分敏感，在感应外界磁场后产生相应大小的自旋拉莫尔进动信号。
所述检测光源为窄线宽激光器，输出中心频率处于原子共振吸收峰至失谐几百GHz处，其控制模块(包含电流控制模块和温度控制模块)能够通过调节电压、电流等方式微调输出激光频率。
所述起偏器与检偏器处于相互消光位置，消光比达到1000:1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。
所述相位调制器包括电光调制器、法拉第调制器、光弹调制器及其它光学相位调制器，其快、慢轴方向与起偏器透光轴方向夹角为45°，并由函数发生器输出频率为ω的正弦信号对检测激光进行调制。
所述锁相放大器输出一次谐波信号可以实现原子自旋进动信号的检测，进而实现对外界磁场的超高灵敏度测量；二次谐波信号则用来实现检测光频率在线测量及闭环稳定。
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。
所述伺服控制器通过比较系统输出二次谐波信号大小与参考的检测光源输出激光中心频率对应偏置值，采用闭环控制算法输出控制信号，反馈给检测光源控制模块。
另外，本发明提供一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定方法，按照以下工作方法实现检测光频率在线测量及闭环稳定：
当检测光源输出中心频率为ν的窄线宽激光，经过高消光比起偏器成为光强为I0的线偏振光。光抽运和磁屏蔽的碱金属原子在外界磁场作用下，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原子气室具有圆双折射特性，对于检测光线偏振面的偏转角为θ，该偏转角大小与检测激光中心频率具有对应函数关系。此时，碱金属原子气室对于检测激光具有的吸收作用和色散效应，检测光通过碱金属原子气室后的光强I(l)与初始光强I0之间的函数关系由下式描述：
式中，α为碱金属气室吸收系数，l为检测光在碱金属气室中传播长度，n为碱金属原子密度，c为光速，re为经典电子半径，f为谐振强度，Γ为压力展宽，ν0为碱金属原子光共振跃迁频率。这些物理量均由碱金属原子气室性质决定，且对于任一所采用的气室均可视为常值。
同时，在与碱金属原子相互作用下，线偏振检测光会产生一个线偏振面的偏角，即光旋角θ。而后通过四分之一波片和相位调制器，相位调制器施加的调制为δ＝δ0sinωt，δ0为调制幅度，ω为调制频率。其中调制幅度与光频率之间的有对应的函数关系。
经检偏器后检测光由光电探测器接收，通过锁相放大器提取输出光强中的一次谐波分量V1f、二次谐波V2f进行解调输出：
V1f＝η1I(l)θδ 式(2)
V2f＝η2I(l)δ2 式(3)
式中，η1和η2分别为检测系统中一、二次谐波信号对应的光电转化效率以及锁相放大器放大电路等所构成的总转化系数。
由信号采集处理电路根据公式(1)～(3)进行相关处理，可实时测得检测光频率ν。进一步地，利用伺服控制器和闭环控制算法比较测量值与参考值，输出控制信号，反馈给检测光源控制模块进行微调，实现检测激光频率长时间闭环稳定。所采用的控制算法为PID控制、自适应控制、鲁棒控制或者其他闭环控制算法。
具体实施方案如下：
如图1所示，一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定方法装置结构图，利用光抽运和磁屏蔽下的碱金属原子气室6对于检测激光的光学吸收作用和色散效应以及相位调制器8的光学效应(如电光效应、磁光效应、光弹效应等)，通过监测原子磁强计检测系统输出的二次谐波信号，解算出实时激光频率，并由伺服控制器14及闭环控制算法，将控制信号反馈给检测光源控制模块15进行相应的调节，实现检测激光的频率稳定。
检测光源1输出中心频率为原子共振吸收峰至失谐几百GHz的窄线宽检测激光经由消光比大于1000:1的起偏器2成为线偏振光，经过感应外界磁场的碱金属原子气室6并与之发生相互作用，而后依次经过四分之一波片7、电光调制器8被施以由函数发生器9产生频率为ω的正弦信号调制，最后由与起偏器2起偏方向正交的检偏器10后由光电探测器11接收，转换成电信号，通过锁相放大器12解调出输出光强中与调制信号对应的一、二次谐波信号分量，经过信号采集处理电路13进行数据采集和相关处理，根据公式(1)～(3)实时解算出激光频率，并由伺服控制器14及闭环控制算法与参考值作对比，输出控制信号，反馈给检测光源控制模块15进行微调，最终实现检测激光频率的在线测量与闭环稳定。
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)
1.一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置，其特征在于：包括检测光源(1)、起偏器(2)、原子敏感单元(3)、四分之一波片(7)、相位调制器(8)、函数发生器(9)、检偏器(10)、光电探测器(11)、锁相放大器(12)、信号采集处理电路(13)、伺服控制器(14)和检测光源控制模块(15)，所述原子敏感单元(3)包括磁屏蔽装置(4)、光抽运系统(5)和碱金属原子气室(6)；其中：
在原子敏感单元(3)中，磁屏蔽装置(4)和光抽运系统(5)使得碱金属原子气室(6)中的碱金属原子能够对外界微弱磁场感应，从而碱金属原子气室(6)中的碱金属原子发生自旋拉莫尔进动；检测光源(1)输出频率为原子共振吸收峰至失谐几百GHz的窄线宽检测激光经由消光比大于1000:1的起偏器(2)成为线偏振光，经过感应外界磁场的碱金属原子气室(6)并与之发生相互作用，而后依次经过四分之一波片(7)、相位调制器(8)被施以由函数发生器(9)产生频率为ω的正弦信号调制，最后由与起偏器(2)起偏方向正交的检偏器(10)后由光电探测器(11)接收，转换成电信号，通过锁相放大器(12)解调出输出光强中与调制信号对应的一、二次谐波信号分量，经过信号采集处理电路(13)进行数据采集和相关处理，解算出实时激光频率，并由伺服控制器(14)及闭环控制算法与参考值作对比，输出控制信号反馈给检测光源控制模块(15)进行微调，最终实现检测激光的长期稳定；
所述原子敏感单元(3)中磁屏蔽装置(4)和光抽运系统(5)使得碱金属原子能够感应外界磁场，并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，输出激光中心频率处于原子共振吸收峰至失谐几百GHz处，其检测光源控制模块(15)包含电流控制模块和温度控制模块，能够通过调节电压、电流方式微调输出激光频率；
所述起偏器(2)与检偏器(10)处于相互消光位置，消光比达到1000:1以上；
所述四分之一波片(7)的光轴方向与起偏器(2)的透光轴方向平行；
所述相位调制器(8)包括电光调制器、法拉第调制器或光弹调制器，其快、慢轴方向与起偏器透光轴方向夹角为45°，并由函数发生器(9)输出频率为ω的正弦信号对检测激光进行调制；
所述锁相放大器(12)输出二次谐波信号用来实现检测光频率在线测量及闭环稳定；
所述信号采集处理电路(13)包括一个数据采集卡及相关控制、数据处理电路；
所述伺服控制器(14)通过比较系统输出二次谐波信号大小与参考激光频率对应值，采用闭环控制算法输出控制信号，反馈给检测光源控制模块(15)。
2.一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定方法，利用权利要求1所述的一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置，其特征在于，该方法的工作流程如下：
步骤一、利用碱金属原子气室(6)对于检测激光的光学吸收作用和色散效应以及相位调制器(8)的光学效应，包括电光效应、磁光效应、光弹效应，通过监测原子磁强计检测系统输出的二次谐波信号，解算出实时激光频率，并由伺服控制器(14)及闭环控制算法，将控制信号反馈给检测光源控制模块(15)进行相应的调节，实现检测激光的频率稳定；
步骤二、检测光源(1)输出频率为原子共振吸收峰至失谐几百GHz处的窄线宽检测激光经由消光比大于1000:1的起偏器(2)成为线偏振光，经过感应外界磁场的碱金属原子气室(6)并与之发生相互作用，而后依次经过四分之一波片(7)、电光调制器(8)被施以由函数发生器(9)产生频率为ω的正弦信号调制，最后由与起偏器(2)起偏方向正交的检偏器(10)后由光电探测器(11)接收，转换成电信号，通过锁相放大器(12)解调出输出光强中与调制信号对应的一、二次谐波信号分量，经过信号采集处理电路(13)进行数据采集和相关处理，根据对应函数关系实时解算出激光频率，并由伺服控制器(14)及闭环控制算法与参考值作对比，输出控制信号，反馈给检测光源控制模块(15)进行微调，最终实现检测激光频率的在线测量与长时间闭环稳定。
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