CN108445428A - 一种serf原子磁强计电子极化率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SERF原子磁强计的电子极化率测量装置及方法。常规的方法是通过测量线偏振激光透过原子气室产生的法拉第光旋角，进而计算得到电子的极化率，这种方法容易受到原子密度误差和光旋角检测误差的影响，测量精度有限。本发明公开的SERF原子磁强计的电子极化率测量装置及方法是首先测量SERF原子磁强计在已知大小磁场下共振频率，之后利用共振频率、磁场大小和电子的旋磁比计算出SERF态下电子的减慢因子，进而通过减慢因子和电子极化率之间的函数关系计算出电子极化率的大小。本发明的测量精度取决于所施加磁场的精度和共振频率的测量精度，不受限于原子密度和光旋角检测误差，因此本发明相比常规测量装置及方法具有更高的精度。

Description

一种SERF原子磁强计电子极化率测量方法

技术领域

本发明涉及一种SERF(Spin-exchange relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计电子极化率测量方法，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

SERF原子磁强计是一种超高灵敏度的磁强计，它以碱金属原子(钾、铷、铯)为敏感介质，碱金属原子的电子极化率是SERF原子磁强计的一项重要参数，直接影响着磁强计的信号强度和灵敏度。常规的测量碱金属原子电子极化率的方法是采用一束失谐的线偏振检测激光透过原子气室，通过测量检测激光产生的法拉第光旋角，进而通过理论公式计算得到电子的极化率，但是这种方法容易受到原子密度误差和光旋角检测误差的影响，因此测量精度有限。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有电子极化率测量方法依赖于原子密度和法拉第光旋角测量精度的问题，首先测量SERF原子磁强计在已知大小的磁场下的共振频率，之后利用共振频率和磁场大小计算出电子进动的减慢因子，进而通过理论公式计算出电子极化率的大小。这种方法的精度仅依赖于施加磁场的精度和共振频率的测量精度，不依赖于原子密度和光旋角检测的误差，提高了电子极化率的测量精度。

本发明的技术解决方案为：

本发明提供了一种SERF原子磁强计，包括检测激光器1、抽运激光器2、函数发生器3、锁相放大器4、1/4波片5、碱金属气室6、无磁电加热烤箱7、三轴磁场线圈8、第一反射镜9、第二反射镜10、1/2波片11、渥拉斯通棱镜12、差分探测器13、磁屏蔽桶14；其中，磁屏蔽桶14用于为碱金属气室6提供SERF磁强计所需的弱磁场环境，三轴磁场线圈8用于补偿和控制屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场，无磁电加热烤箱7用于给碱金属气室6加热；该装置中，抽运激光器2发射出的一束线偏振激光光束，该光束经过1/4波片5后转化为圆偏振光，之后照射碱金属气室6实现对原子的极化；函数发生器3驱动三轴磁场线圈8的z方向施加一个大小为B_z的磁场；检测激光器1发射出一束线偏振激光光束，该光束经过第一反射镜9后进入碱金属气室6，透射出碱金属气室6的光束受到原子自旋进动的影响，线偏振光偏振轴将发生偏转；之后该光束依次经过第二反射镜10、1/2波片11、渥拉斯通棱镜12，之后分为两束进入差分探测器13，其中1/2波片11、渥拉斯通棱镜12、差分探测器13实现对线偏振光偏振轴变化的测量从而提取出原子自旋进动信号；锁相放大器4的输入端连接差分探测器13的输出，参考信号端连接函数发生器3。

本发明还提供了一种SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，该方法：用权利要求1所述的SERF原子磁强计对SERF原子磁强计的电子极化率进行测量，包括以下步骤：

(1)对SERF原子磁强计进行三轴原位磁补偿，使其敏感介质碱金属气室6感受到的磁场为零；

(2)利用函数发生器3驱动三轴磁场线圈8的z方向施加一个大小为B_z的磁场。之后，利用函数发生器3驱动三轴磁场线圈8使其在x-y平面产生一个固定幅值、不同频率的旋转激励磁场，旋转激励磁场的频率为f₁，f₂，……，f_n。其中，旋转激励磁场的频率范围需覆盖电子的共振频率。

(3)记录在不同频率(f₁，f₂，……，f_n)激励磁场时对应的锁相放大器4的R项输出值(R₁，R₂，……，R_n)，从而得到电子共振曲线数据。之后对激励磁场频率和锁相放大器4的R项输出进行数据拟合，拟合公式为：

其中，f为正弦激励磁场的频率，f₀为磁共振频率，Δf为磁共振线宽，A为比例系数。通过数据拟合可得到磁共振频率f₀，利用公式：q＝γ_eB_z/f₀计算出减慢因子q，其中γ_e为电子的旋磁比。

(4)根据SERF原子所采用的碱金属种类及其核自旋量子数I的值，利用其减慢因子q和电子极化率P之间的理论函数关系即可计算出电子极化率。

所述的三轴原位磁补偿技术，是利用SERF原子磁强计输出信号中的信息，通过函数发生器3控制三轴磁场线圈8产生的磁场补偿碱金属气室中原子感受到的磁场。

所述的碱金属气室6中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。

下表给出了几种SERF原子磁强计常用碱金属的核自旋量子数I与减慢因子q之间的关系如下：

所述的碱金属气室6中气体包括缓冲气体氦气和淬灭气体氮气。

所述的抽运激光器2发出的激光波长在碱金属原子的D1线的中心，检测激光器1所发出的激光波长在碱金属原子的D2线附近失谐。

所述的在x-y平面施加的旋转激励磁场的方法是分别在三轴磁场线圈8的x和y方向施加正弦磁场，同时保证x和y方向的正弦磁场相位相差90o。

所述的在z方向施加的磁场B_z的幅值应小于10nT，旋转激励磁场的有效值应小于1nT。

本发明和现有技术相比的优点在于：

(1)常规的原子磁强计电子极化率测量方法是通过测量检测激光通过原子气室产生的法拉第光旋角，进而计算得到电子的极化率，但是这种方法容易受到原子密度误差和光旋角检测误差的影响，测量精度有限。本发明涉及的方法是首先测量SERF原子磁强计在已知大小磁场下的共振频率，之后利用共振频率和磁场大小计算出电子进动的减慢因子，进而通过理论公式计算出电子极化率的大小。这种方法的精度仅依赖于施加磁场大小和精度和共振频率的测量精度，不依赖于原子密度和光旋角检测误差，因此相比常规方法具有更高的精度。

(2)本方法测量过程所需的全部器部件均为SERF原子磁强计自身的器部件，不需要额外增加器部件。

附图说明

图1为本发明中SERF原子磁强计电子极化率测量方法实验装置图；

图2为本发明的SERF原子磁强计电子极化率测量方法流程图。

附图标记：

1、检测激光器，2、抽运激光器，3、函数发生器，4、锁相放大器，5、1/4波片，6、碱金属气室，7、无磁电加热烤箱，8、三轴磁场线圈，9、第一反射镜，10、第二反射镜，11、1/2波片，12、渥拉斯通棱镜，13、差分探测器，14、磁屏蔽桶。

具体实施方式

本发明提供了一种SERF原子磁强计，如图1所示，包括检测激光器1、抽运激光器2、函数发生器3、锁相放大器4、1/4波片5、碱金属气室6、无磁电加热烤箱7、三轴磁场线圈8、第一反射镜9、第二反射镜10、1/2波片11、渥拉斯通棱镜12、差分探测器13、磁屏蔽桶14。碱金属气室6中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种，以及缓冲气体氦气和淬灭气体氮气。磁屏蔽桶14用于为碱金属气室6提供SERF磁强计所需的弱磁场环境，三轴磁场线圈8用于补偿和控制屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场，无磁电加热烤箱7用于给碱金属气室6加热，使碱金属原子密度达到10¹³～10¹⁴个/cm³量级。抽运激光器2发射出的波长为碱金属原子D1线中心的一束线偏振激光光束，该光束经过1/4波片5后转化为圆偏振光，之后照射碱金属气室6实现对原子的极化。检测激光器1发射出一束波长为碱金属原子D2线附近失谐的线偏振激光光束，该光束经过第一反射镜9后进入碱金属气室6，透射出碱金属气室6的光束受到原子自旋进动的影响，线偏振光偏振轴将发生偏转；之后该光束依次经过第二反射镜10、1/2波片11、渥拉斯通棱镜12，之后分为两束进入差分探测器13，其中1/2波片11、渥拉斯通棱镜12、差分探测器13实现对线偏振光偏振轴变化的测量从而提取出原子自旋进动信号；锁相放大器4的输入端连接差分探测器的输出，参考信号端连接函数发生器3。

本发明还提供了一种SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，采用上述SERF原子磁强计对SERF原子磁强计的电子极化率进行测量，如图2所示，包括以下步骤：

(1)对SERF原子磁强计进行三轴原位磁补偿，即通过函数发生器3控制三轴磁场线圈8产生的磁场补偿碱金属气室中原子感受到的磁场，使其敏感介质碱金属气室6感受到的磁场为零。

(2)利用函数发生器3驱动三轴磁场线圈8的z方向施加一个大小为B_z的磁场，B_z的幅值应小于10nT。之后，利用函数发生器3驱动三轴磁场线圈8使其在x-y平面产生一个固定幅值、不同频率的旋转激励磁场，旋转激励磁场的频率为f₁，f₂，……，f_n。旋转激励磁场的方法是分别在三轴磁场线圈8的x和y方向施加正弦磁场，同时保证x和y方向的正弦磁场相位相差90°。其中，旋转激励磁场的频率范围需覆盖电子的共振频率，旋转激励磁场的有效值应小于1nT。

(3)记录在不同频率(f₁，f₂，……，f_n)激励磁场时对应的锁相放大器4的R项输出值(R₁，R₂，……，R_n)，从而得到电子共振曲线数据。之后对激励磁场频率和锁相放大器4的R项输出进行数据拟合，拟合公式为：

其中，f为正弦激励磁场的频率，f₀为磁共振频率，Δf为磁共振线宽，A为比例系数。通过数据拟合可得到磁共振频率f₀，利用公式：q＝γ_eB_z/f₀计算出减慢因子q，其中γ_e为电子的旋磁比。

(4)根据SERF原子所采用的碱金属种类及其核自旋量子数I的值，利用其减慢因子q和电子极化率P之间的理论函数关系即可计算出电子极化率。

下表为几种SERF原子磁强计常用碱金属的核自旋量子数I与减慢因子q之间的关系：

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 (9)

1.一种SERF原子磁强计，其特征在于：包括检测激光器(1)、抽运激光器(2)、函数发生器(3)、锁相放大器(4)、1/4波片(5)、碱金属气室(6)、无磁电加热烤箱(7)、三轴磁场线圈(8)、第一反射镜(9)、第二反射镜(10)、1/2波片(11)、渥拉斯通棱镜(12)、差分探测器(13)、磁屏蔽桶(14)；其中，磁屏蔽桶(14)用于为碱金属气室(6)提供SERF磁强计所需的弱磁场环境，三轴磁场线圈(8)用于补偿和控制屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场，无磁电加热烤箱(7)用于给碱金属气室(6)加热；该装置中，抽运激光器(2)发射出的一束线偏振激光光束，该光束经过1/4波片(5)后转化为圆偏振光，之后照射碱金属气室(6)实现对原子的极化；函数发生器(3)驱动三轴磁场线圈(8)的z方向施加一个大小为B_z的磁场；检测激光器(1)发射出一束线偏振激光光束，该光束经过第一反射镜(9)后进入碱金属气室(6)，透射出碱金属气室(6)的光束受到原子自旋进动的影响，线偏振光偏振轴将发生偏转；之后该光束依次经过第二反射镜(10)、1/2波片(11)、渥拉斯通棱镜(12)，之后分为两束进入差分探测器(13)，其中1/2波片(11)、渥拉斯通棱镜(12)、差分探测器(13)实现对线偏振光偏振轴变化的测量从而提取出原子自旋进动信号；锁相放大器(4)的输入端连接差分探测器(13)的输出，参考信号端连接函数发生器(3)。

2.一种SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，其特征在于：采用权利要求1所述的SERF原子磁强计对SERF原子磁强计的电子极化率进行测量，包括以下步骤：

(1)对SERF原子磁强计进行三轴原位磁补偿，使其敏感介质碱金属气室(6)受到的磁场为零；

(2)利用函数发生器(3)驱动三轴磁场线圈(8)的z方向施加一个大小为B_z的磁场；利用函数发生器(3)驱动三轴磁场线圈(8)使其在x-y平面产生一个固定幅值、不同频率的旋转激励磁场，旋转激励磁场的频率为f₁，f₂，……，f_n；其中，旋转激励磁场的频率范围需覆盖电子的共振频率；

(3)记录在不同频率(f₁，f₂，……，f_n)激励磁场时，对应的锁相放大器(4)的R项输出值(R₁，R₂，……，R_n)，从而得到电子共振曲线数据；之后对激励磁场频率和锁相放大器(4)的R项输出进行数据拟合，拟合公式为：

其中，f为正弦激励磁场的频率，f₀为磁共振频率，Δf为磁共振线宽，A为比例系数；通过数据拟合可得到磁共振频率f₀，利用公式：q＝γ_eB_z/f₀计算出减慢因子q，其中γ_e为电子的旋磁比；

(4)根据SERF原子磁强计所采用的碱金属种类及其核自旋量子数I的值，利用其减慢因子q和电子极化率P之间的理论函数关系即可计算出电子极化率。

3.根据权利要求2所述的SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，其特征在于：所述的三轴原位磁补偿技术，是利用SERF原子磁强计输出信号中的信息，通过函数发生器(3)控制三轴磁场线圈(8)产生的磁场补偿碱金属气室中原子感受到的磁场。

4.根据权利要求2所述的SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，其特征在于：所述碱金属气室(6)中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。

5.根据权利要求4所述的SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，其特征在于：SERF原子磁强计中碱金属的核自旋量子数I与减慢因子q之间的关系如下：

6.根据权利要求2所述的SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，其特征在于：碱金属气室6中气体包括缓冲气体氦气和淬灭气体氮气。

7.根据权利要求2所述的SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，其特征在于：抽运激光器2发出的激光波长在碱金属原子的D1线的中心，检测激光器(1)所发出的激光波长在碱金属原子的D2线附近失谐。

8.根据权利要求2所述的SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，其特征在于：所述的在x-y平面施加的旋转激励磁场的方法是分别在三轴磁场线圈(8)的x和y方向施加正弦磁场，同时保证x和y方向的正弦磁场相位相差90°。

9.根据权利要求2所述的SERF原子磁强计的电子极化率测量方法，其特征在于：所述的在z方向施加的磁场B_z的幅值应小于10nT，旋转激励磁场的有效值应小于1nT。