CN109541500B - 一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，它利用碱金属超精细能级的塞曼跃迁频率差异而在一个碱金属原子中实现两个独立的自旋振荡器，可同时获得角速度与磁场强度。采用能够与激光直接进行相互作用的碱金属原子，自旋的极化与检测可直接采用激光实现，结构简单，利用碱金属原子超精细能级之间的旋磁比的差异，可利用同一种碱金属原子实现共磁力仪，它可同时测量磁场与角速度。其优点：功耗低、体积小、测量范围大、启动时间快等。

Description

一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪

技术领域

本发明涉及磁场强度、角速度甚至自旋与其它物理场相互作用的高灵敏度测量，属于量子精密传感领域。

背景技术

电子、原子核等微观粒子具有自旋角动量和磁矩，可看作一个旋转的小磁针。原子由电子和原子核构成，它的总角动量和磁矩由电子和原子核按照一定规则矢量相加而成。当施加磁场时，磁矩将会绕磁场发生拉莫尔进动。进动频率与磁场、角速度甚至自旋-其它物理场的相互作用有关，因此利用原子自旋可构成高灵敏度的磁力仪、陀螺仪或暗物质/第5力(等异常场)探测器等传感器。按相互作用量级，自旋与磁场相互作用最大，与转动场相互作用稍弱，而与暗物质/第5力等异常场的相互作用最弱，因此在测量转动场以及暗物质/第5力等异常场的应用领域，需要减弱磁场的干扰。利用两种或两种以上在空间上重叠的自旋系综构成共磁力仪是一种消除磁场干扰的常见方法，目前发展出的装置有：(1)碱金属-惰性气体核自旋共磁力仪，如K-³He共磁力仪；(2)两种及两种以上惰性气体核自旋共磁力仪，如³He-¹²⁹Xe共磁力仪；(3)两种及两种以上碱金属同位素共磁力仪，如⁸⁵Rb-⁸⁷Rb共磁力仪。

利用多种元素或同一种元素的多种同位素构成的共磁力仪，受到磁场梯度、温度梯度、重力场等系统误差的影响。与利用两种以上原子构成的空间重叠的共磁力仪不同，利用同一种原子构成的共磁力仪可大大消除磁场梯度、温度梯度、重力场等系统误差的影响。

发明内容

本发明提出一种基于碱金属超精细能级塞曼分裂的共磁力仪。碱金属具有超精细分裂，两个超精细能级的原子总磁矩不同。在磁场中，这两个超精细能级磁矩的进动频率与磁场强度、系统相对惯性空间的转动角速度以及可能的暗物质/第5力等假设物理场(不妨统称为异常场)有关。由于磁场对进动频率的影响最大，按习惯叫法，我们称这种通过测量碱金属超精细能级磁矩进动频率来测量磁场以及角速度等物理量的装置为共磁力仪，其中由各个超精细能级的磁矩构成一个磁力仪。下面我们以基态超精细能级为2个的碱金属原子铷87为例对本发明进行说明，对于其它种类的碱金属原子，所构成的共磁力仪原理类似。在外磁场中，铷87基态超精细能级上磁矩进动方向相反，通过对这两个磁力仪的信号进行处理，可实现角速度与磁场的高灵敏度测量，即利用一种碱金属实现陀螺仪与磁力仪，且两者之间是解耦的。在对其它物理场与自旋相互作用测量时，我们要扣掉磁场与角速度的影响，可采用反转磁场的方法扣除磁场的影响。进一步，利用多种碱金属或碱金属同位素，还可在一个气室内构成多个磁力仪和陀螺仪，通过信号处理技术进一步提高磁力仪、陀螺仪、异常场探测仪性能。

设碱金属A原子，其超精细能级分别用Fa、Fb表示，其旋磁比分别为γ_a、γ_b，且两者稍不相同。将碱金属A原子充入到密封容器，在一定的温度下，碱金属原子将会形成饱和蒸气。利用与碱金属A的蒸气原子共振的激光使碱金属A原子极化，即产生自旋定向或排列。在磁场B中，碱金属自旋将会产生进动。由于γ_a、γ_b的符号相反，大小不同，它们具有不同的进行方向与频率。当将碱金属A原子放在转动载体上时，它们的进动频率分别为，ω_a＝γ_aB+Ω+δ_a,ω_b＝γ_bB+Ω+δ_b，其中Ω为载体转动角速度,δ_a与δ_b分别为碱金属自旋与异常场的相互作用导致的频率变化，一般情况下，δ_a与δ_b远远小于磁场的贡献。首先，我们忽略δ_a与δ_b，利用线性方程求解方法，可解出

即同时测量出角速度Ω与磁场强度B。当用于陀螺仪时，利用

可进一步进行磁场控制稳定，从而保证所测角速度不受磁场的影响；当用于磁力仪时，利用

可减小磁力仪相对惯性空间转动时引入的测磁误差。其次，当测量δ_a与δ_b时，通过对磁场B进行一定的调制，使B随时间变化，例如以时间周期T反转B的方向，然后取每个周期T之内频率ω_a与ω_b的平均值，即可很大程度上消除B的影响。

所述信号处理器(12)将⁸⁷Rb两个超精细能级的塞曼跃迁信号分别求出，然后进行移相，实现自旋的持续振荡；此外，利用两个超精细能级的自旋进动频率，实现磁场的稳定控制，角速度Ω与磁场强度B分别为：

所述原子气室，采用透明玻璃制作；原子气室内部充入缓冲气体N₂或He气来减小原子与器壁的碰撞；

所述原子气室的内部镀一层抗弛豫膜，减小气室内壁导致的退极化；

所述泵浦激光系统、探测激光系统、线圈、光电探测器可以为芯片化结构。

本发明提出一种基于碱金属(Li、Na、K、Rb、Cs)同位素超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，其优点有：

(1)采用能够与激光直接进行相互作用的碱金属原子，自旋的极化与检测可直接采用激光实现，因而结构比利用惰性气体核自旋的共磁力仪简单得多。这一特点使得芯片化共磁力仪成为现实，可用于构成共磁力仪阵列，或者用于制作微型陀螺仪；

(2)利用碱金属原子超精细能级(例如87Rb的F＝1和F＝2)之间的旋磁比的差异，可利用同一种碱金属原子实现共磁力仪，它可同时测量磁场与角速度。通过进一步的信号处理，可抑制外界磁场变动对角速度测量的影响。由于碱金属自旋极化与操控速度快，可以实现快速启动、高带宽、测量范围大的陀螺。

附图说明

图1为87Rb D1线及能级分裂，

图2为87Rb自旋在磁场下的进动，

图3为碱金属共磁力仪结构图，

图4为芯片碱金属共磁力仪结构图，

图5扫描式共磁力仪结构图，

图6异常场测量时的工作时序。

具体实施方案

下面结合附图对具体实施方式进行详细说明。我们以⁸⁷Rb为例进行介绍，但³Li、²¹Na、³⁹K、⁸⁵Rb、¹³³Cs等碱金属同位素都可以实现碱金属共磁力仪，

87Rb D1线及能级分裂如图1所示。⁸⁷Rb原子最外层只有1个电子，记其轨道角动量为L、自旋角动量为S，则电子总角动量为J＝L+S。如果再考虑到核自旋角动量I，则原子总角动量为F＝I+J。电子轨道角动量与自旋角动量的耦合导致精细结构，电子总角动量与核自旋角动量的耦合导致超精细结构。对常用的⁸⁷Rb原子D₁线，其能级结构如图1所示：仅考虑电子能级时，基态与第一激发态分别为5S_1/2与5P_1/2，它们之间的跃迁谱线称为D₁线，真空波长为794.7nm。进一步，考虑到电子总角动量与核自旋角动量的耦合，5S_1/2与5P_1/2态分别产生超精细分裂，各超精细能级用总角动量量子数F表示，5S_1/2态的超精细分裂为6.8GHz，5P_1/2态的超精细分裂为0.8GHz；在磁场中，每个超精细能级又将发生塞曼分裂，各塞曼子能级用磁量子数m_F表示。为了区分基态与激发态，将激发态能级的总角动量量子数与磁量子数分别用F′与m′_F表示，对基态的5S_1/2两个超精细能级，它们的旋磁比可表示为，

式中μ_B为波尔磁子，

为普朗克常量，g_F为对应F能级的朗德因子。g_F可表示为，

式中g_J＝2.002 331 13，g_I＝-0.000 995 141 4。将F＝1,2、I＝3/2、J＝1/2代入，可求出

可以发现，g₁与g₂符号相反，绝对数值相差2g_I。尽管g_I数值上很小，但它们仍有一定的差别。将波尔磁子μ_B＝1.399 624 604·MHz/Gauss·h代入，可求出具体旋磁比的数值为，

当施加的磁场B＝12μT时，两个超精细能级的旋磁比分别为-84.2842811kHz、83.95000325kHz，数值相差334.2778Hz。由(4)式得，

通过制作出高性能原子气室，使其线宽小于334Hz，则可分辨出两个超精细能级的塞曼跃迁(磁共振)谱，从而实现两个超精细塞曼跃迁谱的测量。为了提高测量精度，线宽应尽量小。

⁸⁷Rb自旋两个超精细能级自旋在磁场下的进动如图2所示。由于F＝1与F＝2的两个超精细能级旋磁比符号相反，它们进动方向相反，而自旋相对载体的角速度方向相同，

为了实现高灵敏度共磁力仪，⁸⁷Rb自旋一般需要进行极化、闭环调控以及检测，一种方案原理如图3所示。图中2为原子气室，可采用透明玻璃如Pyrex玻璃制作；原子气室内部充有碱金属⁸⁷Rb，此外还可充入一定量的缓冲气体如N₂、He气来减小87Rb原子与器壁的碰撞。为了减小气室内壁导致的退极化，原子气室的内部可以镀一层抗弛豫膜，如石蜡、OTS膜。1为87Rb原子，它带有电子自旋与核自旋，能够与795nm波长的激光进行相互作用。3为缓冲气体，其作用主要是减小⁸⁷Rb原子的运动从而减小⁸⁷Rb原子与气室内壁的碰撞。4和5构成一对线圈，用来产生z向的磁场。6和7构成一对线圈，用来产生x方向的磁场。8为泵浦激光系统，输出795nm或780nm的圆偏振激光然后照射原子气室内的⁸⁷Rb原子蒸气，使之产生极化。9为探测激光系统，输出795nm或780nm的探测激光。探测激光穿过原子气室并与⁸⁷Rb原子相互作用，穿过气室的探测光带有⁸⁷Rb自旋的进动信息，并入射到光电探测器10上。探测激光可利用线偏振激光也可利用圆偏振激光，但一般采用线偏振激光以采用平衡偏振检测方法。光电探测器输出电信号，它携带有⁸⁷Rb自旋的进动信息，经过增益调节器11、信号处理器12后，得到x线圈驱动磁场与z向线圈驱动磁场，并经过磁场驱动器Ⅰ13与磁场驱动器Ⅱ14分别驱动x与z向线圈。其中x线圈产生磁共振交流磁场，z向线圈产生稳定的静磁场。在信号处理器12中，基于公式(5)所述的原理，将⁸⁷Rb两个超精细能级的塞曼跃迁信号分别求出，然后进行移相，可实现自旋的持续振荡；此外，利用两个超精细能级的自旋进动频率，可实现磁场的稳定控制，具体细节在本领域已是广为人知。如将共磁力仪用于制作陀螺仪或异常场探测仪，一般还需将气室部分或整个系统置于磁屏蔽装置中。为了减小泵浦光的影响，图3所示共磁力仪也可以关断泵浦激光系统8，

碱金属共磁力仪由于结构简单，易于实现芯片化结构。所述泵浦激光系统、探测激光系统、线圈、光电探测器可以为芯片化结构。一种芯片化碱金属共磁力仪如图4所示。图中21为芯片激光器电源，22为芯片激光器如VCSEL激光器，它发射出795nm激光，经透镜23整形准直为近似平行光，然后经偏振片24、1/4波片25后，成为圆偏振光，并入射到原子气室38上，其内部充有87Rb原子以及适当的缓冲气体。26为一个微型加热片，可采用薄膜工艺制作，用来给原子气室加热，从而获得足量的87Rb蒸气。27和28构成一对线圈，用来产生交变的共振磁场；31和32构成一对线圈，用来产生恒定磁场。经过原子气室的激光经汇聚透镜29之后汇聚并入射到光电探测器33上。光电探测器输出信号连到信号处理器35，并进行磁共振闭环控制和静磁场补偿。磁共振闭环控制磁场经磁场驱动器37转换为电流信号驱动线圈27和28；静磁场补偿经磁场驱动器36转换为电流信号驱动线圈31和32。上述器件可采用微加工工艺制作。

碱金属共磁力仪也可采用扫描式进行工作，其原理如图5所示。图5是在图3基础上做了部分修改，其中16为高稳定电流源输出稳定电流流经z向线圈4和5后产生z向稳定磁场，17为锁相放大器，15为信号发生装置。15发出交流电流信号流经6和7构成的x线圈后产生交变磁场，设置交流电流频率使其在一定范围内进行频率扫描并覆盖⁸⁷Rb两个超精细能级的磁共振频率。15同时发出一路与交流电流信号同频的参考信号提供给锁相放大器17用作参考，锁相放大器输出的X、Y或R信号都输出并进行采集。当扫描频率扫过磁共振频率时，锁相放大器输出信号将会输出磁共振信号，从而通过数据拟合获得磁共振频率。

为了减小泵浦光的影响，图5所示共磁力仪也可以关断泵浦激光系统8，而仅利用探测激光系统9且使探测激光为圆偏振，产生对Rb原子的排列(alignment)作用。由于探测光采用线偏振激光，它导致的光频移远小于圆偏振泵浦光导致的光频移，因此大大降低了共磁力仪对泵浦光参数变化的影响，而且对探测激光频率、功率、方位的变化不敏感。

在测异常场时，可采用图5所示结构。为了减小环境参数漂移的影响，可按图6所示时序改变扫描频率方向与磁场方向。在图6中，将一个数据采集周期分为8个阶段，每个阶段下，z向磁场B_z、频率扫描方向都会发生变化，其中±B_z表示磁场分别沿“+z”方向、“-z”方向。为了获得各个超精细能级塞曼跃迁频率，频率扫描范围应覆盖至少其中一个跃迁频率，图6中ν₁表示F＝1的超精细能级的塞曼跃迁频率，ν₂表示F＝2的超精细能级的塞曼跃迁频率。↑表示频率从小往大扫，而↓表示从大往小扫。阶段1和5的平均频率给出ν₂(+B_z)，阶段2和6的平均频率给出ν₁(+B_z)，阶段3和7的平均频率给出ν₂(-B_z)，阶段4和8的平均频率给出ν₁(-B_z)。定义

则ΔR＝R₊-R_-可表示异常场的贡献。

上述实施方案我们以⁸⁷Rb为例进行了叙述，但其它碱金属同位素也可实现同样原理的碱金属共磁力仪。为了进一步提高共磁力仪性能，也可以在同一个原子气室中充入多种碱金属原子，如同时采用⁸⁵Rb和⁸⁷Rb原子，可以通过数学处理的方式进一步减小系统误差或环境干扰。

Claims (6)

1.一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，碱金属具有超精细分裂，两个超精细能级上的自旋进动方向相反，在碱金属中构成两个磁力仪，通过对这两个磁力仪的信号进行处理，实现角速度与磁场的高灵敏度测量，其特征在于，共磁力仪设有原子气室，

所述原子气室内部充有碱金属⁸⁷Rb，一对线圈位于原子气室z方向，用来产生z方向的磁场，一对线圈位于原子气室x方向，用来产生x方向的磁场；

泵浦激光系统输出的圆偏振激光照射原子气室内的⁸⁷Rb原子蒸气，使之产生极化；

探测激光系统输出的探测激光穿过原子气室并与⁸⁷Rb原子相互作用，带有⁸⁷Rb自旋进动信息的探测光穿过气室，入射到光电探测器(10)上；

光电探测器输出携带有⁸⁷Rb自旋的进动信息的电信号，经过增益调节器(11)、信号处理器(12)后，得到x线圈驱动磁场与z线圈驱动磁场，x线圈驱动磁场经过磁场驱动器Ⅰ(13)驱动x线圈，z线圈驱动磁场经过磁场驱动器Ⅱ(14)驱动z线圈；

其中，所述x线圈产生共振交流磁场，所述z线圈产生稳定的静磁场。

2.根据权利要求1所述的一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，其特征在于，所述碱金属充入到原子气室，碱金属原子形成饱和蒸气，利用与碱金属原子共振的激光使碱金属原子极化，即产生自旋定向，碱金属自旋将会产生进动，由于γ_a、γ_b的符号相反，大小不同，它们具有不同的进动方向与频率，当将碱金属原子放在转动载体上时，它们的进动频率分别为，ωa＝γ_aB+Ω，ωb＝γ_bB+Ω，其中Ω为载体转动角速度，利用线性方程求解方法，解出

即同时测量出角速度Ω与所述静磁场的磁场强度B，当用于陀螺仪时，利用

进行磁场控制稳定，保证所测角速度不受磁场的影响；当用于磁力仪时，利用

减小磁力仪转动时引入的测磁误差；

其中，γ_a、γ_b分别为所述碱金属原子两个超精细能级的旋磁比。

3.根据权利要求1所述的一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，其特征在于，所述信号处理器(12)将⁸⁷Rb两个超精细能级的塞曼跃迁信号分别求出，然后进行移相，实现自旋的持续振荡；此外，利用两个超精细能级的自旋进动频率，实现磁场的稳定控制，角速度Ω与磁场强度B分别为：

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，其特征在于，所述原子气室，采用透明玻璃制作；原子气室内部充入缓冲气体N₂或He气来减小原子与器壁的碰撞。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，其特征在于，所述原子气室的内部镀一层抗弛豫膜，减小气室内壁导致的退极化。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，其特征在于，所述泵浦激光系统、探测激光系统、线圈、光电探测器为芯片化结构。

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