CN108919146A - 一种铯原子磁力仪 - Google Patents

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李楠
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Abstract

本发明公开了一种铯原子磁力仪，包括激光器、第一偏振分束器、激光稳频模块、反射镜、扩束器、半波片、第二偏振分束器、四分之一波片、铯原子气泡、射频场线圈、磁屏蔽桶、透镜、光电探测器和锁相模块。通过运用自制的894nm外腔半导体激光器,建立了激光稳频装置和低噪声磁场测量环境,实现了一种基于光抽运和射频磁共振相结合的双共振铯原子磁力仪。通过磁力仪参数优化以及闭环测量，磁力仪测量的外磁场达到了19fT/Hz1/2的极限灵敏度和8.6pT/Hz1/2的本征灵敏度,空间分辨率小于2cm，是研究原子、分子高激发态的精密测量的有力工具，在生物医学、地球物理、量子频标、军事探测等方面都有重要应用价值。

Description

一种铯原子磁力仪
技术领域
本发明涉及原子磁力仪技术领域，尤其是涉及一种铯原子磁力仪。
背景技术
在现代科技中，磁探测技术的应用非常广泛，例如在医学、军事、工业及地球物理等方面都有非常重要的应用，所以磁场的探测是一项非常重要的技术，而在磁探测领域中常需要用到高灵敏度原子磁力仪。
不同的应用领域决定了磁探测设备的技术指标，目前已经产品化的高灵敏度磁力仪主要包括磁通门磁力仪、质子磁力仪、光泵磁力仪和超导磁力仪。其中，超导磁力仪是目前应用的测磁灵敏度最高的仪器，主要是采用超导量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device)进行弱磁探测，其对于微弱磁场的测量具有高的灵敏度。
SQUID磁力仪虽然有很高的灵敏度，但是装置复杂、对工作环境要求高、使用维护成本高，普适性差，且受到低温使用条件的限制，在使用上有很大限制，目前主要用于医学和考古领域。
原子磁力仪由于具有高灵敏度，可微型化等优点，是目前磁力仪发展中的一个热点方向。其中又可分为全光原子磁力仪和光磁双共振原子磁力仪。
全光原子磁力仪的基本原理是采用一束光极化碱金属原子，并采用另一束光检测被极化原子自旋在检测光方向的分量，实现高灵敏度磁场检测。
光磁双共振原子磁力仪，是光抽运和射频磁共振相结合的一种双共振过程，是利用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的一种技术。由于只有一个激光器，结构经凑，是本发明采用的方案。
原子磁力仪由于其灵敏度高、装置简单、技术实现条件低、功耗小等优点引起广泛的关注，非常具有发展前景。
发明内容
为了克服现有磁力仪灵敏度不够的问题，本发明提供了一种铯原子磁力仪，该磁力仪能够精确测量磁场，并大幅提高磁场测量灵敏度。
一种铯原子磁力仪，包括激光器、第一偏振分束器、激光稳频模块、反射镜、扩束器、半波片、第二偏振分束器、四分之一波片、铯原子气泡、射频场线圈、磁屏蔽桶、透镜、光电探测器和锁相模块；
所述铯原子气泡在外部设置射频线圈后置于磁屏蔽桶内，所述第一偏振分束器置于激光器的光路上，产生的两路激光分别到达激光稳频模块和反射镜，反射镜后面的光路上依次放置扩束器、半波片、第二偏振分束器、四分之一波片、铯原子气泡、透镜、光电探测器与锁相模块。
磁屏蔽筒用于降低外部环境磁场的噪声；激光稳频模块用于稳定激光器的频率，使激光和原子保持共振；扩束器用于增加激光的光斑尺寸，扩大激光和原子的相互作用体积；半波片、第二偏振分束器和四分之一波片的组合，可以得到圆偏振激光，并且通过半波片控制入射到铯原子气泡上的功率；激光和射频场在铯原子气泡上进行激光和射频场双共振作用；透镜用于收集激光，使激光汇聚到光电探测器上；光电探测器探测到的激光信号输入到锁相模块，进行分析处理；通过对锁相模块的信号进行分析处理，可以得到待测磁场的磁场强度。
所述的激光器为894nm外腔半导体激光器，能够实现894nm单模运转，并且线宽小于1MHz。
所述的射频线圈由三对尺寸相同且两两垂直放置的方形亥姆霍兹线圈构成，放置距离与边长的比值为0.5445-0.5455。
所述的磁屏蔽桶筒长25-35cm，内筒直径15-25cm，外筒直径20-30cm。
选用的铯原子气泡是长度2cm,直径2cm的圆柱形气室,以实现空间分辨率小于2cm的磁磁场探测。
当激光入射方向和被测磁场方向的夹角为45度时，磁力仪具有最大的灵敏度。
本发明通过圆偏振光将铯原子抽运到暗态，实现偏极化，外磁场存在时,原子磁矩将以拉莫尔频率绕外磁场进动，在共振射频磁场的作用下,原子被去极化而重新吸收光子，通过探测出射光光谱可以测得拉莫尔频率进而得到外磁场的信息，本发明通过运用自制的894nm外腔半导体激光器，建立了激光稳频装置和低噪声磁场测量环境，实现了一种基于光抽运和射频磁共振相结合的双共振铯原子磁力仪。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的磁力仪通过对磁场中铯原子与光场相互作用产生的磁光旋转效应进行检测，再利用磁光共振频率与外磁场之间的关系，可以及时准确实现磁场测量，得到高灵敏度的结果。
2、本发明的磁力仪具有高灵敏度、低成本、低能耗等特点，对外磁场的探测达到了19fT/Hz1/2的极限灵敏度和8.6pT/Hz1/2的本征灵敏度，空间分辨率小于2cm。在空间与地球物理、深空磁场探测、军事反潜、生物医学等方面都有着广泛的应用前景，具有重要的研究价值。
附图说明
图1为本发明一种铯原子磁力仪的结构示意图；
图2为实施例中铯原子D1饱和吸收谱线图；
图3为本发明的磁力仪在外加一个0.5高斯的偏置磁场后，得到的射频信号的频谱。
图中：1为半导体激光器，2为第一偏振分束器，3为激光稳频模块，4为反射镜，5为扩束器，6为半波片，7为四分之一波片，8为铯原子气泡，9为射频场线圈，10为磁屏蔽桶，11为透镜，12为光电探测器，13为锁相模块，14为第二偏振分束器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示，一种铯原子磁力仪，包括894nm半导体激光器1、第一偏振分束器2、激光稳频模块3、反射镜4、扩束器5、半波片6、第二偏振分束器14、四分之一波片7、铯原子气泡8、射频场线圈9、磁屏蔽桶10、透镜11、光电探测器12和我锁相模块13。
各部件之间的组装关系如下：铯原子气泡8置于射频线圈9和磁屏蔽桶11内，第一偏振分束器2置于激光器1的光路上，产生的两路激光分别到达激光稳频模块3和反射镜4，反射镜4后面的光路上依次放置扩束器5、半波片6、第二偏振分束器14、四分之一波片7、铯原子气泡8、透镜11、光电探测器12以及锁相模块13。对锁相模块13的信号进行分析处理，得到待测磁场的磁场强度。
其中，894nm激光器是基于Littrow结构设计的894nm外腔半导体激光器，能够实现自由运转波长为904nm的激光管调谐到894nm的单模运转，连续无跳模范围在3GHz以上；射频线圈由三对尺寸相同且两两垂直放置的方形亥姆霍兹线圈构成，放置距离与边长的比值为0.5445；磁屏蔽桶筒长31cm，内筒直径20cm，外筒直径25cm。
如图2所示，我们将激光器调谐到铯原子的D1线，即62S1/2-62P1/2894nm跃迁线上。通过饱和吸收谱方法观察到了F＝4-F’＝3和F＝4-F’＝4的跃迁谱线。谱线两个峰之间的频率间隔约为1.17GHz。饱和吸收峰宽度约为60MHz。通过锁频电路对外腔激光器的电流源和光栅反馈控制，使激光频率锁定在铯原子的D1谱线上。
在外界磁场B中，由于原子存在磁矩M，必然受到磁力矩的作用，其角动量将绕外磁场方向进动，即拉莫尔进动，频率为拉莫尔频率ωL。
其中，B为待测磁场的磁场强度，γ为铯原子的旋磁比。对于133Cs原子，其旋磁比为2π×3.5Hz/nT。根据共振射频场的频率可以测得磁场强度。
根据磁力仪灵敏度公式：
其中，Δv是磁共振线宽，在我们磁力仪中，为480Hz，γ是铯原子的旋磁比，RSN是信噪比。如图3所示，是在外加一个0.5高斯左右的偏置磁场后，得到的射频信号的频谱。横坐标是射频场频率，纵坐标是光电管探测到的射频信号功率谱密度。根据图3，信噪比达到15850，fBW是测试带宽，为1Hz。据此计算出磁力仪的灵敏度达到8.6pT/Hz1/2和极限灵敏度19fT/Hz1/2。
以上所述，仅为本发明的较佳的实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铯原子磁力仪，其特征在于，包括激光器(1)、第一偏振分束器(2)、激光稳频模块(3)、反射镜(4)、扩束器(5)、半波片(6)、第二偏振分束器(14)、四分之一波片(7)、铯原子气泡(8)、射频场线圈(9)、磁屏蔽桶(10)、透镜(11)、光电探测器(12)和锁相模块(13)；
所述铯原子气泡(8)在外围设置射频线圈(9)后置于磁屏蔽桶(10)内，所述第一偏振分束器(2)置于激光器(1)的光路上，产生的两路激光分别到达激光稳频模块(3)和反射镜(4)，反射镜(4)后面的光路上依次放置扩束器(5)、半波片(6)、第二偏振分束器(14)、四分之一波片(7)、铯原子气泡(8)、透镜(11)、光电探测器(12)与锁相模块(13)。
2.根据权利要求1所述的铯原子磁力仪，其特征在于，所述的激光器(1)为894nm外腔半导体激光器，并且线宽小于1MHz。
3.根据权利要求1所述的铯原子磁力仪，其特征在于，所述的射频线圈(9)由三对尺寸相同的方形亥姆霍兹线圈产生,每对线圈边长L均为14-16cm。
4.根据权利要求3所述的铯原子磁力仪，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈之间的间距均为边长的0.5445-0.5455倍。
5.根据权利要求1所述的一种铯原子磁力仪，其特征在于，所述的磁屏蔽桶(10)筒长25-35cm，内筒直径15-25cm，外筒直径20-30cm。
6.根据权利要求1所述的铯原子磁力仪，其特征在于，所述的铯原子气泡(8)为长度2cm，直径2cm的圆柱形气室。
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