CN108693490A - 磁场强度测量装置及方法 - Google Patents

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丁冬生
李恩泽
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Abstract

一种磁场强度测量装置和测量方法，其中测量装置包括：激光器，用于产生激光光束；第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。本发明了提供的磁场强度测量装置利用轨道角动量对称光束来精确测量弱磁场强度。

Description

磁场强度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及磁场测量领域，进一步涉及一种磁场强度的测量装置及方法。
背景技术
科学家们发现携带螺旋位相的空间光场具有特定的轨道角动量。随着进一步的发展，具有轨道角动量的光场在理论上是可以携带比特信息，由于轨道角动量内禀的无限维希尔伯特空间，大大增加了经典和量子光通信的通信容量。此外，螺旋光束与物质之间的相互作用产生了光学镊子和光学扳手等工具，最近已经开发了基于轨道角动量光的高精度测量的各种办法。
这里设计了一种基于轨道角动量光场来测量磁场强度的方法，利用轨道角动量的对称光束和外加磁场的铷原子蒸气进行组合，通过之后产生的扇形干涉图案的旋转来测量磁场强度。改变磁场强度的大小可以产生可观测的干涉图像的旋转，利用这种方法，可以精确的测量弱磁场的磁场强度，为磁场强度的测量提供了一种新的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁场强度的测量装置，以及采用该测量装置测量磁场强度的方法。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种磁场强度测量装置，包括：
激光器，用于产生激光光束；
第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；
Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；
第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；
第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；
摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。
在进一步的方案中，所述第一偏振组件包括第一四分之一波片和二分之一波片，按照光路顺序依次设置第一四分之一波片和二分之一波片。
在进一步的方案中，所述第二偏振组件包括第二四分之一波片。
在进一步的方案中，所述Sagnac干涉仪包括：第一偏振分束器，使线性偏振光的水平和竖直的偏振分量穿过螺旋相位板后获得不同的轨道角动量；多个反射镜形成的环路，用于调整水平和竖直的偏振分量光路路线；相位片，设置于Sagnac环路上，用于给水平和竖直的偏振光加载不同的螺旋相位。
在进一步的方案中，所述摄像机还用于监测在待测测长强度变化时的干涉图样缓慢旋转角度。
在进一步的方案中，所述铷原子蒸气室配置为与待测磁场方向相平行。
根据本发明的另一方面，提供一种应用以上任一所述的装置进行磁场测量的方法，包括：
采用所述装置构建测量光路，其中使铷原子蒸气室位于待测磁场强度的磁场中，待测磁场与铷原子蒸气室轴线平行；
通过摄像机检测干涉图案的相关值来得到旋转角，根据所述旋转角确定磁场强度。
在进一步的方案中，配置Sagnac干涉仪中的第一偏振分束器，使水平和垂直分量的光束分别获得数值为-2和2的轨道角动量。(三)有益效果
(1)本发明了提供的磁场强度测量装置利用轨道角动量对称光束来精确测量弱磁场强度；
(2)本发明的测量方法在测量干涉图案的旋转时，具有可以实时监控旋转的优点，可以在很短的时内记录多个干涉图案并且通过高分辨率的相机来提高测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例的磁场强度测量装置的光路示意图；
图2为本发明实施例的铷原子蒸气室外部施加纵向磁场平面后塞曼能级变化示意图；
图3为本发明实施例将携带有轨道角动量为1和2的干涉图案的旋转角度变化示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的目的是针对携带有轨道角动量的光束在精密光学测量和高容量光通信领域有非常突出的优势，提出一种精确测量磁场强度的装置和方法。利用携带有轨道角动量的对称光束在通过热原子蒸气室后产生的干涉图案随着磁场作用下会发生旋转的特点，通过测量干涉图案的旋转角度来确定外加磁场的磁场强度，不仅可以利用不同轨道角动量的光束进行测量，而且可以精确的测量弱磁场的磁场强度。
本发明提出了一种磁场强度测量装置，包括：激光器，用于产生激光光束；第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。具体的，所设计的光路图可以包括外腔激光器、四分之一波片、半波片、萨格纳克装置、热铷原子蒸气室、电流可控的电磁线圈、偏振分束器、高分辨率摄像头。
本发明还提出了一种利用携带有轨道角动量的对称光束测量外磁场强度的方法，该方法利用轨道角动量对称光束在通过热原子蒸气室后干涉图案的旋转，通关测量图案的旋转角度就会反过来得到外加磁场的磁场强度。
如图1所示，所述外腔半导体激光器(波长为795nm)产生一束由5S1/2(F＝2)到5P1/2(F＝1)能级跃迁产生的稳定激光，频率由饱和吸收光谱再通过反馈电路锁定。
Sagnac干涉仪将一束线偏振激光分为轨道角动量量子数相反偏振方向相反的两束激光，两激光束的轨道角动量通过相位片分别为-2和2，该相位片用于给水平和竖直的偏振光加载不同的螺旋相位，最后产生一束叠加的对称光束。具体细节如下：利用Sagnac干涉仪产生轨道角动量和偏振的叠加光束，来自外腔二极管的795nm激光束通过四分之一波片和二分之一波片后变成45度的线性偏振光，偏振分束板(PBS1)让给水平和垂直方向的偏振分量相反的穿过螺旋相位板。
叠加激光束射入铷原子蒸气室，热铷原子蒸气室内温度恒定为89摄氏度，蒸气室内铷原子密度为7.23×1012cm-3，蒸气室外部缠绕有自制的电磁线圈，并利用电阻丝作为滑动变阻器控制线圈电流，以获得精确的电磁场控制，产生的磁场强度和电流强度之比由DC磁力计精确测量。
在一些实施例中，入射原子蒸气室内的激光束功率为21mV，激光束直径为3mm。
在一些实施例中，蒸气室内纵向和横向的背景磁场强度分别为0.2±0.02G和0.14±0.03G。
叠加激光束从铷原子蒸气室射出后，通过偏振分束器后，干涉图样射入高分辨率摄像机中，在显示器中显示高清晰度的干涉图样。
本发明实施例的测量方法可以如下：
首先，搭建实验光路图1所示：由外腔二极管产生波长为795nm的激光束，让激光光束通过四分之一波片和二分之一波片，通过后的光束为45度偏振的线性偏振光，通过一面反光镜将光束射入Sagnac干涉仪，光束通过Sagnac干涉仪后通过一个四分之一波片，之后射入热铷原子(Rb87)蒸气室中，蒸气室外缠绕有自制的电磁线圈，从蒸气室射出的光束通过偏振分束器2后用一个高分辨率摄像机观察干涉图案的变化。
然后，Sagnac干涉仪配置轨道角动量和极化的初始状态光束：来自外腔二极管的795nm光束经过四分之一波片和二分之一波片后变成45度偏振的线性偏振光，因为装置中的偏振分束器允许水平和竖直的偏振分量相反的穿过螺旋相位板，螺旋相位板的厚度随着方位角顺时针和逆时针相反的叠加，最后水平和垂直分量的光束分别获得数值为-2和2的轨道角动量，随后，四分之一波片将两束不同相位的光转换成左和右圆偏振光，初始状态准备完成。
接着，射入蒸气室的光束包括左旋偏振光和右旋偏振光，之后这束螺旋光束射入温度恒定的铷原子蒸气室中。使用自制电磁线圈将纵向磁场施加到蒸汽室中，使用电阻丝作为滑动变阻器来调整电磁线圈中的电流从而精确的控制弱磁场强度，磁场强度和电流强度的比值通过DC磁力计进行测量。
当施加纵向磁场(参见图1中B的方向)时，塞曼能级发生变化，两个圆偏振光的共振频率发生变化，因此两种光束分别经历了不同的折射率，这会导致两束光产生一个相位差。
随后，从蒸气室射出的光束经过偏振分束板2，偏振分束板允许左旋偏振光束和右旋偏振光束的水平分量(H)通过，通过后两种光束的水平分量发生干涉。
最后，干涉图案随着纵向磁场强度的变化而旋转，通过测量两个干涉图案的相关值来得到旋转角，通过小幅度的扫描目标图像的旋转角度并计算关于目标图像的相关值，可以得到相关曲线作为旋转角度的函数。如果相关值达到最大值，图像中的横坐标值就为参考图像和目标图像的旋转角度。在实验中发现，该测量的可靠精度为0.045+/-0.005，可以通过提高干涉图案的分辨率进一步提高精度。
改变磁场强度可以得到一系列的干涉图样，由于磁场强度变化均匀，如果磁场较强则干涉图样缓慢旋转，如果磁场强度较弱则干涉图样快速旋转。当磁场极性交替时旋转方向反转两次。在测量旋转角对于磁场的依赖性时，发现存在这样一个特征分散形状，曲线的斜率决定了旋转角度对于磁场强度的敏感度。
在一些实施例中，对于弱磁场，曲线斜率保持在59°/G，因此提供了一种测量弱磁场的测量方式，考虑到角度测量的精度，相应的弱磁场测量精度保持在0.8mG。
其中选择由5S1/2(F＝2)到5P1/2(F＝1)能级跃迁产生的激光：能够随着磁场强度的增加，5P1/2(F＝1)能级永远不会交叉；而且相应的次能级与模型最为相似。
其中光线的折射率变化的影响机制：一是窄带光对原子数分布的速度选择性的修改。另一种是塞曼能级之间的光诱导相干。
其中假设原子气体是各向同性的，曲线的对称中心对应于磁场的零点。磁场零点和线圈电流零点的干涉图形有一个相对角度(12.7204°)。对于弱磁场曲线的斜率59°/G，可得到背景磁场强度为0.2156±0.0008G，与地球磁场强度吻合良好。
本发明实施例还提供了测量背景磁场强度的初步测量数据，用于表征所设计的弱磁场测量方案的基本性质。
通过小幅度的扫描参考图像的旋转角度并计算相对于目标图像的相关值，得到了相关曲线作为旋转角度的函数，精度分别为4.5+/-0.005、0.45+/-0.005、0.045+/-0.005、0.0045+/-0.005。如果相关值达到最大值，其最大值对应的横坐标值就是参考图像和目标图像的旋转角度，比较图像可知，该测量方法的可靠精度达到了0.045+/-0.005。
由于磁场强度变化均匀，如果磁场较强，则干涉图案缓慢旋转，如果磁场较弱，则干涉图案快速旋转。旋转角度依赖磁场的曲线的斜率决定了旋转速率对磁场强度的敏感性，对于弱磁场，曲线斜率为59°/G，考虑到角度测量的精度，相应的弱磁场精度为0.8mG。
其中假设原子气体是各向同性的，曲线的对称中心对应于磁场的零点。磁场零点和线圈电流零点的干涉图形有一个相对角度(12.7204°)。对于弱磁场曲线的斜率59°/G，可得到背景磁场强度为0.2156±0.0008G，于地球磁场强度吻合良好。
图3为将携带有轨道角动量为1和2的干涉图案的旋转角度进行比较，可以清晰的看到，轨道角动量为1的干涉图案的旋转角度为轨道角动量为2的干涉图案旋转角度的两倍。
以上，通过本发明实施例的磁场测量装置和方法，在测量干涉图案的旋转时，具有可以实时监控旋转，可以在很短的时内记录多个干涉图案并且通过高分辨率的相机来提高测量精度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁场强度测量装置，其特征在于包括：
激光器，用于产生激光光束；
第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；
Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；
第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；
第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；
摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。
2.根据权利要求1所述的磁场强度测量装置，其特征在于，所述第一偏振组件包括第一四分之一波片和二分之一波片，按照光路顺序依次设置第一四分之一波片和二分之一波片。
3.根据权利要求1所述的磁场强度测量装置，其特征在于，所述第二偏振组件包括第二四分之一波片。
4.根据权利要求1所述的磁场强度测量装置，其特征在于，所述Sagnac干涉仪包括：
第一偏振分束器，使线性偏振光的水平和竖直的偏振分量穿过螺旋相位板后获得不同的轨道角动量；
多个反射镜形成的环路，用于调整水平和竖直的偏振分量光路路线；
相位片，设置于Sagnac环路上，用于给水平和竖直的偏振光加载不同的螺旋相位。
5.根据权利要求1所述的磁场强度测量装置，其特征在于，所述摄像机还用于监测在待测测长强度变化时的干涉图样缓慢旋转角度。
6.根据权利要求1所述的磁场强度测量装置，其特征在于，所述铷原子蒸气室配置为与待测磁场方向相平行。
7.应用权利要求1-6任一所述的装置进行磁场测量的方法，其特征在于包括：
采用所述装置构建测量光路，其中使铷原子蒸气室位于待测磁场强度的磁场中，待测磁场与铷原子蒸气室轴线平行；
通过摄像机检测干涉图案的相关值来得到旋转角，根据所述旋转角确定磁场强度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于还包括：其中，配置Sagnac干涉仪中的第一偏振分束器，使水平和垂直分量的光束分别获得数值为-2和2的轨道角动量。
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