CN108693488A - 一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置 - Google Patents

一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置。常规的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置仅采用一束圆偏振抽运激光对碱金属原子进行极化，由于碱金属原子密度大，导致抽运激光在经过碱金属气室过程中光强大幅衰减，引起原子极化率梯度大、平均极化率低等问题，制约了磁场测量装置信噪比的进一步提高。本发明设计的方法是，在常规的单抽运光束基础上增加一束反向抽运光，从而使正反两个方向的原子极化率梯度抵消，实现对原子更均匀的极化，从而解决常规方法存在的不足。

Description

一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量 装置
技术领域
本发明涉及一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫(Spin-Exchange-Relaxation-Free，SERF)原子自旋磁场测量装置，属于原子磁强计领域。
背景技术
在磁场测量领域，无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置已实现了亚fT级的测量灵敏度，成为世界上灵敏度最高的磁场测量仪器，它有望在基础科学研究、样品弱磁测试、人体的心磁和脑磁测量等诸多领域得到广泛应用。
目前常规的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置采用一束圆偏振激光对碱金属原子进行抽运，由于碱金属原子密度很大(约1013～1014个/cm3)，对于通常使用的厘米尺寸的气室而言，其光学深度将远大于1，这会导致抽运激光光强在经过碱金属气室过程中将大幅衰减，引起原子极化率梯度大、平均极化率低等问题，制约了磁场测量装置信噪比的进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有常规的基于单抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置存在的原子极化率梯度大、平均极化率低等问题，在常规的单抽运光束基础上增加一束反向抽运光，从而使正反两个方向的原子极化率梯度抵消，实现对原子更均匀的极化。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置，包括抽运激光器、第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第一1/4波片、第一反射镜、正向抽运光束、第二反射镜、光纤耦合器、单模保偏光纤、光纤准直器、第三1/2波片、第三偏振分光棱镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第二1/4波片、第三反射镜、反向抽运光束、检测激光器、检测光束、第四反射镜、第一格兰泰勒棱镜、第三1/4波片、光弹调制器、第二格兰泰勒棱镜、光电探测器、锁相放大器、计算机、磁屏蔽桶、三轴磁补偿线圈、无磁电加热烤箱、碱金属气室；在磁屏蔽桶的内部，由外及内依次是：三轴磁补偿线圈、无磁电加热烤箱、碱金属气室，磁屏蔽桶用于为碱金属气室提供原子自旋无自旋交换状态所需的弱磁场环境，三轴磁补偿线圈用于补偿屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场，无磁电加热烤箱用于给碱金属气室加热；抽运激光器发射出线偏振激光光束，该光束依次经过第一1/2波片和第一偏振分光棱镜，之后分为相互垂直的两束光，其中与原传输方向垂直的一路光束经过第二反射镜后进入光纤耦合器，与原传输方向相同的一路光束之后通过第二1/2波片、第二偏振分光棱镜，之后通过第一凸透镜和第二凸透镜实现扩束，之后通过第一1/4波片转换为圆偏振激光，之后通过第一发射镜，成为正向抽运光束，照射碱金属气室，用于极化碱金属气室中的碱金属原子；进入光纤耦合器的激光通过单模保偏光纤进入光纤准直器，之后该激光转换为空间光，之后通过第三1/2波片、第三偏振分光棱镜，之后通过第三凸透镜和第四凸透镜实现扩束，之后通过第二1/4波片转换为圆偏振激光，之后通过第三反射镜，成为反向抽运光束，照射碱金属气室，用于极化碱金属气室中的碱金属原子；检测激光器发射出线偏振检测激光光束，该光束依次经过第四反射镜、第一格兰泰勒棱镜、碱金属气室、第三1/4波片、光弹调制器、第二格兰泰勒棱镜，之后进入光电探测器转换为电信号；锁相放大器参考端连接光弹调制器，信号输入端连接光电探测器，从而解调出原子自旋进动信号；锁相放大器与计算机相连，计算机用于显示并存储锁相放大器提取的信号。
其中，所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。
其中，所述碱金属气室中的原子需工作于无自旋交换弛豫状态。
其中，抽运激光器发出的激光波长在碱金属原子的D1线的中心，检测激光器所发出的激光波长在碱金属原子的D2线附近失谐。
其中，正向抽运光束的圆偏振旋向与反向抽运光束的圆偏振旋向相反，即若正向抽运光束为左旋圆偏振光，则需通过调节第二1/4波片使反向抽运光束为右旋圆偏振光。
本发明与现有技术相比的优点在于：常规的SERF原子自旋磁场测量装置仅采用一束圆偏振激光对碱金属原子进行抽运，由于碱金属原子密度很大，导致抽运激光光强在经过碱金属气室过程中大幅衰减，引起原子极化率的梯度大、平均极化率低等问题。本发明设计的方法是，在常规的单抽运光束基础上增加一束反向抽运光，从而使正反两个方向的原子极化率梯度抵消，实现对原子更均匀的极化。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为单光束抽运和双光束抽运条件下原子极化率在气室内的分布对比图。
图中附图标记含义为：1为抽运激光器，2为第一1/2波片，3为第一偏振分光棱镜，4为第二1/2波片，5为第二偏振分光棱镜，6为第一凸透镜，7为第二凸透镜，8为第一1/4波片，9为第一反射镜，10为正向抽运光束，11为第二反射镜，12为光纤耦合器，13为单模保偏光纤，14为光纤准直器，15为第三1/2波片，16为第三偏振分光棱镜，17为第三凸透镜，18为第四凸透镜，19为第二1/4波片，20为第三反射镜，21为反向抽运光束，22为检测激光器，23为检测激光光束，24为第四反射镜，25为第一格兰泰勒棱镜，26为第三1/4波片，27为光弹调制器，28为第二格兰泰勒棱镜，29为光电探测器，30为锁相放大器，31为计算机，32为磁屏蔽桶，33为三轴磁补偿线圈，34为无磁电加热烤箱，35为碱金属气室。
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。
图1为本发明装置的结构示意图，由图可见，本发明装置中包括抽运激光器1、第一1/2波片2、第一偏振分光棱镜3、第二1/2波片4、第二偏振分光棱镜5、第一凸透镜6、第二凸透镜7、第一1/4波片8、第一反射镜9、正向抽运光束10、第二反射镜11、光纤耦合器12、单模保偏光纤13、光纤准直器14、第三1/2波片15、第三偏振分光棱镜16、第三凸透镜17、第四凸透镜18、第二1/4波片19、第三反射镜20、反向抽运光束21、检测激光器22、检测激光光束23、第四反射镜24、第一格兰泰勒棱镜25、第三1/4波片26、光弹调制器27、第二格兰泰勒棱镜28、光电探测器29、锁相放大器30、计算机31、磁屏蔽桶32、三轴磁补偿线圈33、无磁电加热烤箱34、碱金属气室35。
该装置中，在磁屏蔽桶32内部，由外及内依次是三轴磁补偿线圈33、无磁电加热烤箱34、碱金属气室35。碱金属气室内部充有钾、铷、铯其中一种碱金属原子，以及缓冲气体氦气和淬灭气体氮气；磁屏蔽桶32用于为碱金属气室35提供原子自旋SERF态所需的弱磁场环境；三轴磁补偿线圈33用于补偿屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场；无磁电加热烤箱34用于给碱金属气室35加热，使其内部的碱金属原子密度达到1013～1014个/cm3。
抽运激光器1发射出线偏振激光光束，该激光光束的波长在碱金属原子的D1线的中心，该光束依次经过第一1/2波片2和第一偏振分光棱镜3，之后分为两束光，第一1/2波片2和第一偏振分光棱镜3组合是用于调节所分两束光的光强分光比例；与原光束传输方向垂直的一路光束经过第二反射镜11后进入光纤耦合器12，与原光束传输方向相同的一路光束之后通过第二1/2波片4、第二偏振分光棱镜5，第二1/2波片4和第二偏振分光棱镜5组合是用于调节透射出的光强大小；之后通过第一凸透镜6和第二凸透镜7组合实现扩束，之后通过第一1/4波片8转换为圆偏振激光；之后通过第一反射镜9，成为正向抽运光束10，照射碱金属气室35，用于极化碱金属气室35中的碱金属原子。
进入光纤耦合器12的激光通过单模保偏光纤13进入光纤准直器14，之后该激光转换为空间光，该光束之后通过第三1/2波片15、第三偏振分光棱镜16，第三1/2波片15和第三偏振分光棱镜16组合是用于调节透射出的光强大小，之后通过第三凸透镜17和第四凸透镜18组合实现扩束，之后通过1/4波片19转换为圆偏振激光，之后通过反射镜20照射碱金属气室35，成为反向抽运光束21，用于极化碱金属气室35中的碱金属原子。反向抽运光束21的圆偏振旋向与正向抽运光束10的圆偏振旋向相反，即若正向抽运光束10为左旋圆偏振光，则需通过调节第二1/4波片19使反向抽运光束21为右旋圆偏振光。图2为单光束抽运和双光束抽运条件下原子极化率在气室内的分布对比图。
检测激光器22发射出线偏振检测激光光束23，该激光光束的波长在碱金属原子的D2线附近失谐；该光束依次经过第四反射镜24、第一格兰泰勒棱镜25、碱金属气室35、第三1/4波片26、光弹调制器27、第二格兰泰勒棱镜28。其中，第三1/4波片26的快轴、光弹调制器27的快轴、第二格兰泰勒棱镜28的透射偏振轴分别与第一格兰泰勒棱镜25的透射偏振轴成0o，45o，90o。透射出第二格兰泰勒棱镜28的激光进入光电探测器29转换为电信号，锁相放大器30参考端连接光弹调制器27，信号输入端连接光电探测器29，从而提取出原子自旋进动信号，锁相放大器30与计算机31相连，计算机31用于显示并存储锁相放大器31提取的信号大小。
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 (5)

1.一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置，其特征在于：包括抽运激光器(1)、第一1/2波片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、第二1/2波片(4)、第二偏振分光棱镜(5)、第一凸透镜(6)、第二凸透镜(7)、第一1/4波片(8)、第一反射镜(9)、正向抽运光束(10)、第二反射镜(11)、光纤耦合器(12)、单模保偏光纤(13)、光纤准直器(14)、第三1/2波片(15)、第三偏振分光棱镜(16)、第三凸透镜(17)、第四凸透镜(18)、第二1/4波片(19)、第三反射镜(20)、反向抽运光束(21)、检测激光器(22)、检测光束(23)、第四反射镜(24)、第一格兰泰勒棱镜(25)、第三1/4波片(26)、光弹调制器(27)、第二格兰泰勒棱镜(28)、光电探测器(29)、锁相放大器(30)、计算机(31)、磁屏蔽桶(32)、三轴磁补偿线圈(33)、无磁电加热烤箱(34)、碱金属气室(35)；在磁屏蔽桶(32)的内部，由外及内依次是：三轴磁补偿线圈(33)、无磁电加热烤箱(34)、碱金属气室(35)，磁屏蔽桶(32)用于为碱金属气室(35)提供原子自旋无自旋交换状态所需的弱磁场环境，三轴磁补偿线圈(33)用于补偿屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场，无磁电加热烤箱(34)用于给碱金属气室(35)加热；抽运激光器(1)发射出线偏振激光光束，该光束依次经过第一1/2波片(2)和第一偏振分光棱镜(3)，之后分为相互垂直的两束光，其中与原传输方向垂直的一路光束经过第二反射镜(11)后进入光纤耦合器(12)，与原传输方向相同的一路光束之后通过第二1/2波片(4)、第二偏振分光棱镜(5)，之后通过第一凸透镜(6)和第二凸透镜(7)实现扩束，之后通过第一1/4波片(8)转换为圆偏振激光，之后通过第一发射镜(9)，成为正向抽运光束(10)，照射碱金属气室(35)，用于极化碱金属气室(35)中的碱金属原子；进入光纤耦合器(12)的激光通过单模保偏光纤(13)进入光纤准直器(14)，之后该激光转换为空间光，之后通过第三1/2波片(15)、第三偏振分光棱镜(16)，之后通过第三凸透镜(17)和第四凸透镜(18)实现扩束，之后通过第二1/4波片(19)转换为圆偏振激光，之后通过第三反射镜(20)，成为反向抽运光束(21)，照射碱金属气室(35)，用于极化碱金属气室(35)中的碱金属原子；检测激光器(22)发射出线偏振检测激光光束(23)，该光束依次经过第四反射镜(24)、第一格兰泰勒棱镜(25)、碱金属气室(35)、第三1/4波片(26)、光弹调制器(27)、第二格兰泰勒棱镜(28)，之后进入光电探测器(29)转换为电信号；锁相放大器(30)参考端连接光弹调制器(27)，信号输入端连接光电探测器(29)，从而解调出原子自旋进动信号；锁相放大器(30)与计算机(31)相连，计算机(31)用于显示并存储锁相放大器(30)提取的信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子磁场测量装置，其特征在于：所述碱金属气室(35)中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子磁场测量装置，其特征在于：所述碱金属气室(35)中的原子需工作于无自旋交换弛豫状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子磁场测量装置，其特征在于：抽运激光器(1)发出的激光波长在碱金属原子的D1线的中心，检测激光器(22)所发出的激光波长在碱金属原子的D2线附近失谐。
5.根据权利要求1所述的一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子磁场测量装置，其特征在于：正向抽运光束(10)的圆偏振旋向与反向抽运光束(21)的圆偏振旋向相反，即若正向抽运光束(10)为左旋圆偏振光，则需通过调节第二1/4波片(19)使反向抽运光束(21)为右旋圆偏振光。
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