CN109546525A - 基于碱金属激光器的原子磁力计 - Google Patents

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CN109546525A CN201811631702.4A CN201811631702A CN109546525A CN 109546525 A CN109546525 A CN 109546525A CN 201811631702 A CN201811631702 A CN 201811631702A CN 109546525 A CN109546525 A CN 109546525A
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Abstract

本公开提供了一种基于碱金属激光器的原子磁力计，包括半导体激光器，输出半导体激光；聚焦镜，连接到所述半导体激光器，将泵浦光聚焦；偏振器件，连接到所述聚焦镜，用于实现半导体激光与碱金属激光的耦合，碱金属气室，连接到所述偏振器件，所述碱金属气室设置于碱金属激光的谐振腔内；第一高反射镜，连接到所述碱金属气室；第二高反射镜，与第一高反射镜形成碱金属激光的谐振腔，对碱金属激光实现光放大；功率计，连接至第二高反射镜，用于测量碱金属激光透过第二高反射镜的输出功率。该基于碱金属激光器的原子磁力计通过测量碱金属激光器的输出功率获得碱金属气室所属位置的磁场信息，减小了后续信号处理的难度。

Description

基于碱金属激光器的原子磁力计
技术领域
本公开涉及磁场探测领域，尤其涉及一种基于碱金属激光器的原子磁力计。
背景技术
基于无自旋交换弛豫(SERF)效应搭建的碱金属(钾、铷、铯)原子磁力计具有磁场强度探测灵敏度高的特点，目前已达到0.16fT/Hz1/2，使其在物质结构分析、矿产勘探、生物医疗、深海反潜等领域具有广泛应用前景。
基于法拉第旋光效应设计的SERF磁力计一般使用半导体激光器。该类型磁力计通过测量探测光经过碱金属气室后的偏振面旋转角度测量磁场。但是由于微弱磁场引起的偏振面旋转角度小，对透过光的偏振面进行分析时，需要对微弱的光信号进行处理，因此该类型磁力计在提高信噪比方面存在瓶颈。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于碱金属激光器的原子磁力计，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于碱金属激光器的原子磁力计，包括
半导体激光器，输出半导体激光；
聚焦镜，连接到所述半导体激光器，将泵浦光聚焦；
偏振器件，连接到所述聚焦镜，用于实现半导体激光与碱金属激光的耦合，
碱金属气室，连接到所述偏振器件，所述碱金属气室设置于置于碱金属激光的谐振腔内；
第一高反射镜，连接到所述碱金属气室；
第二高反射镜，与第一高反射镜形成碱金属激光的谐振腔，对碱金属激光实现光放大；
功率计，连接至第二高反射镜，用于测量碱金属激光透过第二高反射镜的输出功率。
在一些实施例中，所述碱金属气室包括：
第一碱金属气室，连接至所述偏振器件，第一碱金属气室内的碱金属原子在泵浦光的作用下能够实现粒子数反转；
第二碱金属气室，连接至所述偏振器件或第一碱金属气室，蒸气室内的碱金属原子在碱金属激光的作用下，能够实现自旋极化方向一致。
在一些实施例中，碱金属激光每次经过第二碱金属蒸气室均引起偏振面的角度变化，改变碱金属激光的单程损耗。
在一些实施例中，所述的原子磁力计，还包括：
温控炉，用于控制碱金属蒸气室的温度；
窄带滤光片，设置于所述第二高反镜与所述功率计之间，用于滤除预定波长以外的其他杂散光。
在一些实施例中，碱金属气室内充有包括钾、铷、铯中至少一种碱金属原子。
在一些实施例中，半导体激光的偏振态为垂直线偏振，碱金属激光的偏振态的平行线偏振；或者半导体激光的偏振态为平行线偏振，碱金属激光的偏振态的垂直线偏振。
在一些实施例中，所述偏振器件为偏振分光立方体或格兰激光棱镜。
在一些实施例中，所述第一碱金属蒸气室、第二碱金属蒸气室内还包括缓冲气体或组分。
在一些实施例中，所述第一高反射镜及所述第二高反射镜反射率的反射率均高于99.8％。
在一些实施例中，经聚焦镜聚焦的光束入射至偏振器件，使焦点在碱金属蒸气室内。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于碱金属激光器的原子磁力计至少具有以下有益效果之一：
(1)采用碱金属激光多次通过处于待测磁场的第二碱金属蒸气室，碱金属激光每次经过第二碱金属蒸气室均引起偏振面的角度变化，改变了碱金属激光的单程损耗，将包含磁场信息的损耗通过第一高反射镜和第二高反射镜组成的谐振腔进行了放大，由碱金属激光器的输出功率表征，提高了探测光与SERF气室的作用距离，实现高灵敏度和高信噪比的磁场探测。
(2)由于采用光学的方式将碱金属气室包含的磁场信息放大，使得原子磁力计的结构更加紧凑，抗干扰能力提高，减小了后续信号处理的难度。
附图说明
图1为本公开第一实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。
图2为本公开实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。
图3为本公开第二实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。
图4为本公开第三实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。
图5为本公开第四实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
半导体激光器101、聚焦镜102、偏振分光立方体103、第一碱金属气室104、第二碱金属气室105、第一温控炉106、第二温控炉107、第一高反射镜108、第二高反射镜109、窄带滤光片1010、功率计1011；
半导体激光器201、聚焦镜202、偏振分光立方体203、第一碱金属气室204、第二碱金属气室205、第一温控炉206、第二温控炉207、第一高反射镜208、第二高反射镜209、窄带滤光片2010、功率计2011；
半导体激光器301、聚焦镜302、偏振分光立方体303、第一碱金属气室304、第二碱金属气室305、第一温控炉306、第二温控炉307、第一高反射镜308、第二高反射镜309、窄带滤光片3010、功率计3011；
半导体激光器401、聚焦镜402、偏振分光立方体403、第一碱金属气室404、第二碱金属气室405、第一温控炉406、第二温控炉407、第一高反射镜408、第二高反射镜409、窄带滤光片4010、功率计4011。
具体实施方式
针对现有技术对磁场引起的偏振面旋转角度通过单次测量实现，需要对微弱光信号进行探测和处理的问题，本公开提供了一种基于碱金属激光器的原子磁力计，采用具有窄线宽输出且无需稳频对准碱金属D1线等优势的半导体泵浦碱金属激光器(DPAL)，将SERF气室插入碱金属激光器谐振腔，通过谐振腔的光学反馈作用，对偏振面旋转引起的光信号进行增强，通过提高探测光与SERF气室的作用距离，实现高灵敏度和高信噪比的磁场探测。
本公开基于碱金属激光器的原子磁力计包括半导体激光器、聚焦镜、偏振分光立方体、碱金属气室、第一高反射镜、第二高反射镜、功率计。该磁力计将碱金属气室放置于碱金属激光器的谐振腔内，通过测量碱金属激光器的输出功率获得碱金属气室所属位置的磁场信息；第一高反射镜和第二高反射镜组成碱金属激光的谐振腔，实现对碱金属激光的光放大；碱金属气室内充有钾、铷、铯等碱金属原子。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于碱金属激光器的原子磁力计。图1为本公开实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。如图1所示，本公开基于碱金属激光器的原子磁力计包括：半导体激光器101、聚焦镜102、偏振分光立方体103、第一碱金属气室104、第二碱金属气室105、第一温控炉106、第二温控炉107、第一高反射镜108、第二高反射镜109、窄带滤光片1010、功率计1011。
半导体激光器101输出半导体激光，其作用是泵浦温控炉中的铷蒸气室。其空气中波长为780.02nm，线宽为0.1nm，实现铷原子最外层电子自旋产生的上能级和下能级之间的粒子数反转。所述半导体激光器101输出的光束入射至聚焦镜102。在其他实施例中，碱金属气室充有钾原子，对应波长766nm，碱金属气室充有铯原子，对应波长852nm，线宽通常小于0.1nm。
聚焦镜102将泵浦光聚焦，用于提高泵浦光的功率密度，其焦距为75mm，通光孔径为50mm。经聚焦镜聚焦的光束入射至偏振分光立方体103，并使焦点在碱金属蒸气室内，焦点大小为直径0.8mm。
偏振分光立方体103是偏振器件，其作用是实现半导体激光与铷激光的耦合，半导体激光和铷激光以不同的偏振态通过偏振分光立方体。半导体激光的偏振态为垂直线偏振(S偏振)，铷激光的偏振态的平行线偏振(P偏振)。半导体激光经偏振分光立方体103后会聚至第一温控炉106的第一碱金属气室内；碱金属激光经偏振分光立方体103后输出至第一温控炉106的第一碱金属气室及第二温控炉107的第二碱金属气室内。
第一温控炉106控制第一碱金属气室的温度，本实施例中，所述第一碱金属气室104为铷蒸气室，用于提供铷激光工作所需的工作温度条件，工作温度可设为145℃。铷蒸气室内部充有铷单质和甲烷，是铷激光器的工作物质，甲烷气压选为80kPa。经聚焦后的半导体激光泵浦后，可实现铷原子激光上下两个能级的粒子数翻转，产生铷激光波长的增益。经半导体激光泵浦后，碱金属气室内产生的碱金属D2线对应的光子。该光子由受激辐射产生，经由第一高反射镜108和第二高反射镜109谐振放大后，产生铷激光。
第二温控炉107控制第二碱金属蒸气室105的温度。第二碱金属蒸气室105内部充有碱金属单质和缓冲气体，是用于测量磁场。第二碱金属蒸气室105内充有铷原子和氮气，氮气气压80kPa。第二碱金属蒸气室105的温度可设为160℃。碱金属激光(铷激光)将碱金属蒸气室内的铷原子泵浦为自旋极化状态一致，为无自旋交换弛豫状态。铷激光每次经过第二碱金属蒸气室105时，在磁场的作用下，产生偏振面变化。
第一高反射镜108反射碱金属激光，其表面镀有介质膜，介质膜对碱金属激光具有高的反射率，与第二高反射镜109形成渐进激光的谐振腔，对碱金属激光实现光放大。第一高反射镜108的反射率一般高于99.8％，优选值为99.99％。
第二高反射镜109对碱金属激光具有较高的反射率，其表面镀有介质膜，介质膜对碱金属激光具有高的反射率，与第一高反射镜108形成渐进激光的谐振腔，对碱金属激光实现光放大。第二高反射镜109的反射率一般为99.8％，优选值为99.99％。碱金属激光透过第二高反射镜102的输出到窄带滤光片1010。
窄带滤光片1010对预定波长的激光高透，带宽10nm，滤除预定波长以外的其他杂散光。所述预定波长与碱金属气室的碱金属原子类型有关，本实施例中，碱金属气室内充有铷原子，因此窄带滤光片1010对795nm的激光高透。窄带滤光片1010输出到功率计1011。
功率计1011用于测量碱金属激光透过第二高反射镜109的输出功率。根据输出功率的不同，确定第二碱金属蒸气室5所在的磁场强度。功率计1011测量激光的功率范围典型为1nW-10uW.根据功率计1010在不同磁场强度下的示数，可以得知第二碱金属蒸气室105所在磁场的强度。
该磁力计测量磁场强度的基本原理如下：假设磁场为B时，入射碱金属气室的铷激光为P偏振，其振幅为A，则经过第二碱金属蒸气室105后，偏振面旋转角度θ，经高反射镜反射，探测光再次经过第二碱金属蒸气室105，偏振面再次旋转角度θ，即经过两次气室后，偏振面相对于原始偏振方向旋转2θ，其偏振面旋转的结构示意图如图2所示。
偏振面旋转后，碱金属激光再次经过偏振分光立方体时，在S方向的分量将会被转折，P方向的分量透过偏振分光立方体，在穿过第一碱金属蒸气室104后，到达第一高反射镜108。由于第一高反射镜108与第二高反射镜109组成光学谐振腔，P方向的分量得到反馈，再次穿过偏振分光立方体，形成一个光学长度的循环。在该单程过程中，由于偏振面旋转通过偏振分光立方体带来的振幅损耗为Asin(2θ)，对应的单程损耗因子为δ＝cos2(2θ)。由于谐振腔的光放大作用，该损耗因子将引起碱金属激光器输出功率的变化。因此，通过测量碱金属激光器输出功率的变化将能够获得第二碱金属蒸气室104所在位置的磁场强度。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于碱金属激光器的原子磁力计，包括：半导体激光器201、聚焦镜202、偏振分光立方体203、第一碱金属气室204、第二碱金属气室205、第一温控炉206、第二温控炉207、第一高反射镜208、第二高反射镜209、窄带滤光片2010、功率计2011。
图3为本公开第二实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。如图3所示，与所述第一实施例不同的是，在本实施例中，第一碱金属蒸气室204、第二碱金属蒸气室205在偏振分光立方体的同一侧。第一将紧缩蒸气室204输出碱金属激光到第二碱金属蒸气室205，所述第二碱金属蒸气室205输出到第一高反射镜208。
为了达到简要说明的目的，上述实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了又一种基于碱金属激光器的原子磁力计，包括：半导体激光器301、聚焦镜302、偏振分光立方体303、第一碱金属气室304、第二碱金属气室305、第一温控炉306、第二温控炉307、第一高反射镜308、第二高反射镜309、窄带滤光片3010、功率计3011。
图4为本公开第三实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。如图4所示，在本实施例中，碱金属激光的偏振态为S偏振，半导体激光的偏振态为P偏振。
在本公开的第四个示例性实施例中，提供了再一种基于碱金属激光器的原子磁力计，包括：半导体激光器401、聚焦镜402、偏振分光立方体403、第一碱金属气室404、第二碱金属气室405、第一温控炉406、第二温控炉407、第一高反射镜408、第二高反射镜409、窄带滤光片4010、功率计4011。
为了达到简要说明的目的，上述实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
图5为本公开第四实施例基于碱金属激光器的原子磁力计的结构示意图。如图5所示，在本实施例中，半导体激光是P偏振，碱金属激光是S偏振。
为了达到简要说明的目的，上述实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)本公开的偏振分光立方体还可以用其他类型的偏振器件替换，如格兰激光棱镜。
(2)本公开的聚焦透镜还可以是其他焦距和尺寸，目的是使聚焦半导体激光，提高半导体激光的功率密度。
(3)本公开的碱金属蒸气室还可以是钾蒸气室或铯蒸气室。在该方案下，第一高反射镜和第二高反射镜分别对770nm或895nm镀高反膜，反射率高于99.8％，优选值为99.99％.
(4)第二高反射镜的反射率还可以是其他值，如98％。目的是使功率计能够探测碱金属激光器输出的功率。
(5)第一碱金属蒸气室内还可以充有其他缓冲气体或组分，如氦气、乙烷等气体，只需使蒸气室内的碱金属原子在泵浦光的作用下能够实现粒子数反转即可。
(6)第二碱金属蒸气室内还可以充有其他缓冲气体或组分，如氦气、氙气等气体，只需使蒸气室内的碱金属原子在碱金属激光的作用下，能够实现自旋极化方向一致即可。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于碱金属激光器的原子磁力计，包括
半导体激光器，输出半导体激光；
聚焦镜，连接到所述半导体激光器，将泵浦光聚焦；
偏振器件，连接到所述聚焦镜，用于实现半导体激光与碱金属激光的耦合；
碱金属气室，连接到所述偏振器件，所述碱金属气室设置于碱金属激光的谐振腔内；
第一高反射镜，连接到所述碱金属气室；
第二高反射镜，与第一高反射镜形成碱金属激光的谐振腔，对碱金属激光实现光放大；
功率计，连接至第二高反射镜，用于测量碱金属激光透过第二高反射镜的输出功率。
2.根据权利要求1所述的原子磁力计，其中所述碱金属气室包括：
第一碱金属气室，连接至所述偏振器件，第一碱金属气室内的碱金属原子在泵浦光的作用下能够实现粒子数反转；
第二碱金属气室，连接至所述偏振器件或第一碱金属气室，蒸气室内的碱金属原子在碱金属激光的作用下，能够实现自旋极化方向一致。
3.根据权利要求2所述的原子磁力计，其中，碱金属激光每次经过第二碱金属蒸气室均引起偏振面的角度变化，改变碱金属激光的单程损耗。
4.根据权利要求1或2所述的原子磁力计，还包括：
温控炉，用于控制碱金属蒸气室的温度；
窄带滤光片，设置于所述第二高反镜与所述功率计之间，用于滤除预定波长以外的其他杂散光。
5.根据权利要求1或2所述的原子磁力计，其中，碱金属气室内充有包括钾、铷、铯中至少一种碱金属原子。
6.根据权利要求1或2所述的原子磁力计，其中，
半导体激光的偏振态为垂直线偏振，碱金属激光的偏振态的平行线偏振，或者，半导体激光的偏振态为平行线偏振，碱金属激光的偏振态的垂直线偏振。
7.根据权利要求1或2所述的原子磁力计，其中，所述偏振器件为偏振分光立方体或格兰激光棱镜。
8.根据权利要求1或2所述的原子磁力计，其中，所述第一碱金属蒸气室、第二碱金属蒸气室内还包括缓冲气体或组分。
9.根据权利要求1或2所述的原子磁力计，其中，所述第一高反射镜及所述第二高反射镜反射率的反射率均高于99.8％。
10.根据权利要求1或2所述的原子磁力计，其中，经聚焦镜聚焦的光束入射至偏振器件，使焦点在碱金属蒸气室内。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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