CN108490374A - 一种混合光抽运serf原子磁强计装置及其密度比优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合光抽运无自旋交换驰豫(SERF)原子磁强计装置及其密度比优化方法。该方法从光频移抑制、提高磁强计信号稳定性的角度出发，进行磁强计碱金属原子密度比的优化，最终实现对抽运光功率和抽运光频率波动不敏感的最佳碱金属原子密度比。与传统单一碱金属SERF原子磁强计相比，混合光抽运SERF原子磁强计具有原子极化率均匀的优点。与传统混合光抽运SERF原子磁强计相比，综合考虑了碱金属原子密度比、光频移、抽运光功率、抽运光频率的相互作用与影响，是一种多物理量耦合优化的方法。此方法的应用，可有效的提高SERF原子磁强计信号的稳定性。

Description

一种混合光抽运SERF原子磁强计装置及其密度比优化方法
技术领域
本发明涉及子原子磁强计的碱金属原子密度测量与优化领域。特别是一种混合光抽运无自旋交换驰豫(SERF)原子磁强计装置及其密度比优化方法。
背景技术
在SERF原子磁强计中，原子极化效率以及原子极化的均匀性是研究中所需解决的问题。一种混合光抽运方法的出现有效的解决了原子极化效率和原子极化均匀性的问题。两种碱金属原子密度比例不同，光与光学深度较小的碱金属原子相互作用并使之极化，通过碱金属原子间的相互碰撞，使待测的光学深度较大的碱金属原子极化，可使原子极化更加均匀，同时实验表明原子极化效率也更高。但是对于两种碱金属原子密度比值，并没有明确的优化方法。
光频移存在于混合光抽运SERF原子磁强计中，且对磁强计信号有较大影响。光与混合光抽运气室中的两种碱金属原子作用，均会产生光频移。光频移等效为一虚假磁场，受抽运光功率、抽运光频率、碱金属原子密度、碱金属原子密度比的影响，其存在不仅会增加原子驰豫，而且其波动会影响SERF原子磁强计信号的稳定性。混合抽运SERF原子磁场计中多物理量相互作用与影响，成为参数优化的难点所在。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种混合光抽运SERF原子磁强计中密度比优化的方法。通过改变左右旋圆偏振光并进行磁强计快速磁场补偿，得到光频率零点与极值点，综合优化碱金属原子数密度比、抽运光频率、抽运光功率、光频移等参数。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种混合光抽运SERF原子磁强计装置，其特征在于：该装置包括K/Rb混合碱金属气室、烤箱、真空腔、三维磁补偿线圈、磁屏蔽桶、抽运光源、扩束器、线偏振器、1/4波片、检测光源、扩束器、法拉第调制器、光电探测器、锁相放大器、数据采集与分析系统，其中：
K/Rb混合碱金属气室固定在氮化硼陶瓷烤箱中心，由电加热膜加热至200℃保证较高的碱金属原子数密度，气室与烤箱放在真空腔内，利用真空隔绝热量向外扩散，减少热的影响，三维磁补偿线圈和磁屏蔽桶用于屏蔽地磁场与补偿剩磁；
抽运光源为K原子D1线光源，其产生的抽运光经过扩束器、线偏振器及与线偏振方向成45度角的1/4波片后成为圆偏振光，用来极化碱金属气室内的K原子，通过K原子和Rb原子的间的相互碰撞来极化Rb原子；检测光源为Rb原子D1线光源，其产生的检测光经过扩束器、线偏振器后成为线偏振光，另一线偏振器作为检偏器在碱金属气室后并与第一个线偏振器垂直。线偏振光经过碱金属气室时，由于磁场变化引起的原子进动使检测光的线偏振面发生偏转，使透过检偏器的光强发生变化，从而被光探测器探测得到；法拉第调制器用来对光偏转角进行调制，并用锁相放大器来提取微弱的偏转角信号，最终进入数据采集及分析系统处理。
一种混合光抽运SERF原子磁强计密度比优化方法，该方法包括：抽运光调谐、改变左右旋圆偏振光、利用磁强计信号进行磁场补偿、光频移变化曲线拟合。其中该方法具体操作步骤为：
(1)选取原子数密度比为R的K/Rb混合碱金属气室置于SERF原子磁强计中，由于两种碱金属原子的存在，碱金属原子在一定功率一定频率的抽运光的作用下会产生光频移，光频率等效为一虚假磁场影响磁强计信号；
(2)将抽运光调整为左旋圆偏振光，利用此条件下的SERF原子磁强计信号进行磁场补偿，得到此条件下的磁场补偿值，此补偿值包含磁屏蔽桶内屏蔽剩磁以及光频移等效磁场；
(3)对抽运光调谐改变光频率，重复步聚2中磁场补偿方法得到一组包含屏蔽剩磁与光频移等效磁场实验值；
(4)对步聚(3)中得到的实验数据进行曲线拟合，得到左旋圆偏振光实验条件下的磁场补偿值变化曲线，也就是光频移变化拟合曲线1；
(5)通过抽运光路上的1/4波片改变左旋圆偏振光为右旋圆偏振光，重复步聚2到步聚4，得到光频移变化拟合曲线2；
(6)在实验过程中，屏蔽剩磁大小和方向均保持不变，而光频移等效磁场会随抽运光频率变化而改变大小，随抽运光左右旋圆偏振光改变而改变方向，所以拟合曲线1与拟合曲线2的交点即为光频率零点A，拟合曲线的极值点为光频移极值点B，在光频移零点A处，光频移等效磁场不受抽运光功率波动影响，在光频移极值点B处，光频移等效磁场不受抽运光频率波动影响；
(7)改变碱金属原子密度比R可得不同的拟合曲线1和拟合曲线2，当两条曲线的光频移零点A与光频移极值点B重合时，此时，光频移及其等效磁场既不受抽运光功率波动影响，也不受抽运光频率波动影响，而此R值即为优化值。
其中，解决的是混合光抽运原子磁强计中密度比的问题，混合光抽运受光学深度的影响很小，可以有效的提高的原子极化的均匀性，两种碱金属原子密度比是混合光抽运磁强计中特有的问题。
其中，改变抽运光左右旋圆偏振态，并利用磁强计信号进行磁场补偿，可以快速准确的得到光频移零点值及光频移极值点值，从光频移等效磁场测量方法出发，得到碱金属原子密度比优化值。
其中，对碱金属原子密度比的优化，考虑光频移、抽运光功率、抽运光频率的相互作用与影响，是一种多物理量耦合优化的方法。
本发明原理在于：选取原子数密度比为R的K/Rb混合碱金属气室置于SERF原子磁强计中。将抽运光调整为左旋圆偏振光，利用此条件下的SERF原子磁强计信号进行磁场补偿，得到此条件下的磁场补偿值，此补偿值包含磁屏蔽桶内屏蔽剩磁以及光频移等效磁场。对抽运光调谐改变频率，得到一组包含屏蔽剩磁与光频移等效磁场实验值。对得到的实验数据进行曲线拟合，得到左旋圆偏振光实验条件下的磁场补偿值变化曲线。改变左旋圆偏振光为右旋圆偏振光，得到左旋圆偏振光实验条件下的磁场补偿值变化曲线。在实验过程中，屏蔽剩磁大小和方向均保持不变，而光频移等效磁场会随抽运光频率变化而改变大小，随抽运光左右旋圆偏振光改变而改变方向，所以两条拟合曲线的交点即为光频率零点，拟合曲线的极值点为光频移极值点。改变碱金属原子密度比R，直到两条曲线的光频移零点与光频移极值点重合，此时，光频移及其等效磁场既不受抽运光功率波动影响，也不受抽运光频率波动影响，而此R值即为优化值。
本发明的优点在于：
1.利用两种碱金属原子进行混合光抽运磁场测量可有效的提高原子极化均匀性和原子极化效率。利用两种碱金属原子的本身光频移与密度比相互影响进行碱金属原子密度比优化，不需借助外部仪器测量，较为方便。
2.通过改变抽运光左右旋圆偏振态，并利用磁强计信号进行磁场补偿，进而得到光频移零点值及光频移极值点值，是一种快速准确的方法。
3.对碱金属原子密度比的优化过程中，综合考虑了光频移、抽运光功率、抽运光频率的相互作用与影响，是一种多物理量耦合优化的方法。
附图说明
图1为本发明的混合光抽运SERF原子磁强计装置结构图，其中，1为K/Rb混合碱金属气室，2为烤箱，3为真空腔，4为三维磁补偿线圈，5为磁屏蔽桶，6为抽运光源，7为扩束器，8为线偏振器，9为1/4波片，10为检测光源，11为扩束器，12为线偏振器，13为法拉第调制器，14为线偏振器，15为光电探测器，16为锁相放大器，17为数据采集与分析系统。
图2为本发明的混合光抽运SERF原子磁强计密度比优化流程图。
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。
如图1所示，本发明的混合光抽运SERF原子磁强计装置，包括K/Rb混合碱金属气室1、烤箱2、真空腔3、三维磁补偿线圈4、磁屏蔽桶5、抽运光源6、扩束器7、线偏振器8、1/4波片9、检测光源10、扩束器11、线偏振器12、法拉第调制器13、线偏振器14、光电探测器15、锁相放大器16、数据采集与分析系统17。
K/Rb混合碱金属气室1固定在氮化硼陶瓷烤箱2中心，由电加热膜加热至200℃保证较高的碱金属原子数密度，气室与烤箱放在真空腔3内，利用真空隔绝热量向外扩散，减少热的影响，三维磁补偿线圈4和磁屏蔽桶5用于屏蔽地磁场与补偿剩磁，磁屏蔽性能的高低是SERF态实现的关键。
抽运光源6为K原子D1线光源，其产生的抽运光经过扩束器7、线偏振器8及与线偏振方向成45度角的1/4波片9后成为圆偏振光，用来极化碱金属气室内的K原子，通过K原子和Rb原子的间的相互碰撞来极化Rb原子。检测光源10为Rb原子D1线光源，其产生的检测光经过扩束器11、线偏振器12后成为线偏振光，另一线偏振器14作为检偏器在碱金属气室后并与第一个线偏振器垂直。线偏振光经过碱金属气室时，由于磁场变化引起的原子进动使检测光的线偏振面发生偏转，使透过检偏器的光强发生变化，从而被光探测器15探测得到。法拉第调制器13用来对光偏转角进行调制，并用锁相放大器16来提取微弱的偏转角信号，最终进入数据采集及分析系统17处理。
如图2所示，本发明提出一种混合光抽运SERF原子磁强计密度比优化方法，通过改变左右旋圆偏振光并利用SERF原子磁强计信号进行快速磁场补偿，得到光频移零点与光频移极值重合下的碱金属原子密度比，此密度比即为混合光抽运的碱金属原子密度比优化值。在此优化值下，由抽运光带来的光频移，既不受抽运光功率波动的影响，也不受抽运光频率波动的影响，有效的提高了混合光抽运SERF原子磁强计信号的稳定性。下面结合附图对本发明进行详细说明。
将原子数密度比为R的K/Rb混合碱金属气室置于图1所示的SERF原子磁强计中，K原子与抽运光直接作用，Rb原子为待测原子，反应磁强计信号。在一定功率一定频率的抽运光的作用下会产生光频移，光频率等效为一虚假磁场影响磁强计信号。改变图1抽运光路中的1/4波片，将抽运光调整为左旋圆偏振光，通过检测光得到的SERF原子磁强计信号进行磁场补偿，记录此时磁场补偿值，此补偿值包含磁屏蔽桶内屏蔽剩磁以及光频移等效磁场。对图1抽运光调谐改变频率，得到一组包含屏蔽剩磁与光频移等效磁场实验值。对得到的实验数据进行曲线拟合，得到左旋圆偏振光实验条件下的磁场补偿值变化曲线，也就是光频移变化拟合曲线1。通过图1抽运光路上的1/4波片改变左旋圆偏振光为右旋圆偏振光，按图2中实验步聚，得到光频移变化拟合曲线2。在实验过程中，屏蔽剩磁大小和方向均保持不变，而光频移等效磁场会随抽运光频率变化而改变大小，随抽运光左右旋圆偏振光改变而改变方向，拟合曲线1与拟合曲线2的交点即为光频率零点A，拟合曲线的极值点为光频移极值点B。在光频移零点A处，光频移等效磁场不受抽运光功率波动影响，在光频移极值点B处，光频移等效磁场不受抽运光频率波动影响。改变碱金属原子密度比R至两条曲线的光频移零点A与光频移极值点B重合时，此时，光频移及其等效磁场既不受抽运光功率波动影响，也不受抽运光频率波动影响，而此R值即为优化值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种混合光抽运SERF原子磁强计装置，其特征在于：该装置包括K/Rb混合碱金属气室(1)、烤箱(2)、真空腔(3)、三维磁补偿线圈(4)、磁屏蔽桶(5)、抽运光源(6)、扩束器(7)、线偏振器(8)、1/4波片(9)、检测光源(10)、扩束器(11)、线偏振器(12)法拉第调制器(13)、线偏振器(14)、光电探测器(15)、锁相放大器(16)、数据采集与分析系统(17)，其中：
K/Rb混合碱金属气室(1)固定在氮化硼陶瓷烤箱(2)中心，由电加热膜加热至200℃保证较高的碱金属原子数密度，气室与烤箱放在真空腔(3)内，利用真空隔绝热量向外扩散，减少热的影响，三维磁补偿线圈(4)和磁屏蔽桶(5)进行地磁场屏蔽与补偿剩磁；
抽运光源(6)为K原子D1线光源，其产生的抽运光经过扩束器(7)、线偏振器(8)及与线偏振方向成45度角的1/4波片(9)后成为圆偏振光，极化碱金属气室内的K原子；检测光源(10)为Rb原子D1线光源，其产生的检测光经过扩束器(11)、线偏振器(12)后成为线偏振光，另一线偏振器(14)作为检偏器在碱金属气室后并与第一个线偏振器垂直；线偏振光经过碱金属气室时，由于磁场变化引起的原子进动使检测光的线偏振面发生偏转，使透过检偏器的光强发生变化，从而被光探测器(15)探测得到；法拉第调制器(13)用来对光偏转角进行调制，并用锁相放大器(16)来提取微弱的偏转角信号，最终进入数据采集及分析系统(17)处理。
2.一种混合光抽运SERF原子磁强计密度比优化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：抽运光调谐、改变左右旋圆偏振光、利用磁强计信号进行磁场补偿、光频移变化曲线拟合，该方法具体操作步骤为：
(1)选取原子数密度比为R的K/Rb混合碱金属气室置于SERF原子磁强计中，由于两种碱金属原子的存在，碱金属原子在一定功率一定频率的抽运光的作用下会产生光频移，光频率等效为一虚假磁场影响磁强计信号；
(2)将抽运光调整为左旋圆偏振光，利用此条件下的SERF原子磁强计信号进行磁场补偿，得到此条件下的磁场补偿值，此补偿值包含磁屏蔽桶内屏蔽剩磁以及光频移等效磁场；
(3)对抽运光调谐改变光频率，重复步聚2中磁场补偿方法得到一组包含屏蔽剩磁与光频移等效磁场实验值；
(4)对步聚(3)中得到的实验数据进行曲线拟合，得到左旋圆偏振光实验条件下的磁场补偿值变化曲线，也就是光频移变化拟合曲线1；
(5)通过抽运光路上的1/4波片改变左旋圆偏振光为右旋圆偏振光，重复步聚2到步聚4，得到光频移变化拟合曲线2；
(6)在实验过程中，屏蔽剩磁大小和方向均保持不变，而光频移等效磁场会随抽运光频率变化而改变大小，随抽运光左右旋圆偏振光改变而改变方向，所以拟合曲线1与拟合曲线2的交点即为光频率零点A，拟合曲线的极值点为光频移极值点B，在光频移零点A处，光频移等效磁场不受抽运光功率波动影响，在光频移极值点B处，光频移等效磁场不受抽运光频率波动影响；
(7)改变碱金属原子密度比R可得不同的拟合曲线1和拟合曲线2，当两条曲线的光频移零点A与光频移极值点B重合时，此时，光频移及其等效磁场既不受抽运光功率波动影响，也不受抽运光频率波动影响，而此R值即为优化值。
3.根据权利要求2所述的混合光抽运SERF原子磁强计密度比优化方法，其特征在于：解决的是混合光抽运原子磁强计中密度比的问题，混合光抽运受光学深度的影响很小，可以有效的提高的原子极化的均匀性，两种碱金属原子密度比是混合光抽运磁强计中特有的问题。
4.根据权利要求2所述的混合光抽运SERF原子磁强计密度比优化方法，其特征在于：改变抽运光左右旋圆偏振态，并利用磁强计信号进行磁场补偿，可以快速准确的得到光频移零点值及光频移极值点值，从光频移等效磁场测量方法出发，得到碱金属原子密度比优化值。
5.根据权利要求2所述的混合光抽运SERF原子磁强计密度比优化方法，其特征在于：对碱金属原子密度比的优化，考虑光频移、抽运光功率、抽运光频率的相互作用与影响，是一种多物理量耦合优化的方法。
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