CN109782197B - 芯片原子传感实现方法及其传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片原子传感实现方法及其传感器。它将一束线偏振多色激光束转变为圆偏振和相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束，所述多色多偏振激光束与磁场中原子气室中的碱金属原子作用，与碱金属原子作用后的激光束再次经偏振分为两束，所述两束光被两光电探测器分别探测，实现磁场原子信息探测。传感器中各器件集成度高，体积小，功耗低；是芯片级原子传感器的方案以及物理单元装置。这种方案实现的传感器灵敏度高。它克服了现有原子传感器体积大，灵敏度低等问题，可实现高灵敏度原子传感器。
Description
技术领域
本发明属于电磁探测技术，特别是电磁探测中的原子传感器技术，具体涉及芯片级的原子传感实现方法及其结构。
背景技术
原子传感器应用于磁强计可用于测量磁场，应用于陀螺仪可以探测角速度，具有灵敏度高、体积小、功耗低等特点，可广泛用于探矿、导航、生物医学等。
原子传感器最常用的方法是采用光抽运实现原子极化，探测极化原子在磁场中的行为获得被测磁场或角速度信息。目前通常采用的方案使用两激光束相互垂直地入射处于磁场中原子泡，其中与原子共振的圆偏振强激光束作为抽运光将抽运原子极化；与原子跃迁适当失谐的线偏振弱激光束作为探测光与极化原子作用，它的偏振方向因法拉第旋光效应发生旋转，通过探测偏振方向旋转程度而获得被测磁场或角速度信息(定义为正交双激光束方案)。正交双激光束方案原子传感器通常采用两台激光器输出光强、频率不同的两束激光，光强、频率等易于分别控制，相互垂直两激光束与原子作用后分离，对探测光的探测不受抽运光干扰，这些优点有利于实现好的探测效果。但是，采用两台激光器使得传感器体积、功耗、价格等较高，两激光束垂直使得传感器探头的体积较大。现在尚没有文献记载将上述传感器做成芯片级的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现原子传感器微芯片级的方法以及结构，从而解决上述传感器的体积较大，功耗高的问题。
实现本发明目的之一的芯片原子传感器实现方法是：将一束线偏振多色激光束转变为圆偏振和相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束，所述多色多偏振激光束与磁场中原子气室中的碱金属原子作用，与碱金属原子作用后的激光束再次经偏振分为两束，所述两束光被两光电探测器分别探测，实现磁场原子信息探测。
上述一束线偏振多色激光束光频谱主要包括基频、负一级边带频率和正一级边带频率；光频谱中也可以包括高阶边带频率，但高阶边带频率非常弱，以至于其影响可近似忽略。这样一束偏振多色激光束可以认为是一束三色激光束，或称之为准三色激光束。
所述一束线偏振多色激光束由纵腔面发射激光器产生也就是微波调制纵腔面发射激光器(也称之为垂直腔面发射激光器VCSEL，Vertical Cavity Surface EmittingLaser)输出的多色激光束，VCSEL芯片。
利用VCSEL作为光源可以实现带有光源的芯片原子传感器探头。激光光源伴随一定激光噪声，VCSEL输出激光频谱宽度较宽，激光噪声较大，但是在两光电探测器所探测到的光电信号中，这种同源共模噪声通过相减得到有效消除，这是本方案的另一优点。
进一步的，一束线偏振多色激光束转变为圆偏振和相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束是利用偏振转换器将多色光转换为基频为圆偏振光和相互垂直的线偏振光。
上述特征可以实现转换器件的集成化，采用偏振转换器(也可称之为正交偏振仪)可采用立方体结构，有利于光器件的集成。
进一步的，所述圆偏振光，相互垂直的线偏振光合束后进入原子气室。合束的光以平行光射入原子气室。
本发明采用一束线偏振调频(或调幅)多色光，光频谱主要包括基频、负一级边带频率和正一级边带频率，通过一个偏振转换器将其基频成分转变为圆偏振，同时正负一级边带频率成分转变为相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束。多色多偏振激光束与磁场中原子气室中的碱金属原子(如铷、铯、钾等)作用，与原子共振的强圆偏振基频作为抽运光将原子抽运极化，与原子分别正、负失谐的正负一级边带频率作为抽运光与原子作用后因法拉第旋光效应发生旋转，其正、负失谐导致旋转方向相反。与原子作用后的激光束经过另一个偏振分束棱镜分为两束，被两光电探测器分别探测。当光与原子无相互作用，则圆偏振基频和相互垂直偏振的正负一级边带均被等强度分开，因此两光电探测器输出等强度光电信号，将输出信号相减所得差分信号为零。但是，当光与原子发生相互作用，正负一级边带发生旋转，且因分别正负失谐它们的旋转方案相反，偏振分束棱镜所分光效果是两边带对其中的一束贡献均增加，而对另一束均减少。将两光电探测器的输出光电相互相减所获差分信号不为零。不为零差分信号完全源于磁场中原子极化导致的正负一级边带的旋光，对磁场和磁场变化敏感，可用于研制原子磁强计和原子自旋陀螺探头。
实现本发明目的之一的芯片原子传感器，包括原子气室，原子气室顺光向设有第二偏振分束器，第二偏振分束器不同的输出方向分别设第一光电探测器和第二光电探测器，原子气室逆光向设有偏振转换器，所述偏振转换器用于将一束线偏振多色光转换为基频为圆偏振光和相互垂直的线偏振光，并将圆偏振光和线偏振光合束输出。
偏振转换器(也可称之为正交偏振仪)可采用立方体结构，有利于光器件的集成。
所述偏振转换器包括第一偏振分束器，在被分束后的光路上分别设有第一反射波片，第二反射波片。
第一反射波片，第二反射波片采用单面镀反射膜的四分之一波片。
所述第一反射波片与第一偏振分束器设第一光介质垫片，第二反射波片与第一偏振分束器设第二光介质垫片。光介质，指的是光能够在其中传播的介质，垫片表明介质的厚度相对比较薄，采用不同的光介质垫片是为了调整光程差。光介质垫片可以选用宝石，石英，中空管(真空或含气体中空管)等。
偏振转换器光输出端与原子气室之间设有透镜，透镜用于将发散光转换为平行光输出。
它还包括垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器设在偏振转换器的第一偏振分束器上，微波调制纵腔面发射激光器(VCSEL)发出激激光束光谱包括有基频、负一级边带频率和正一级边带频率，是一束多色光。
光路上相邻的两器件粘接连接。
VCSEL为光源，其输出半发散角为
的圆形线偏振调频多色激光束，光频谱包括频率为f0基频、频率为f-1负一级边带和频率为f+1正一级边带。线偏振发散激光束进入偏振转换器，偏振转换器由第一偏振分束器、2个单面镀反射膜的四分之一波片、中空垫片、介质垫片、透镜和透镜支撑架组成。线偏振发散激光束进入偏振转换器即射入第一偏振分束器(PBS)，第一偏振分束器将激光分成为反射和透射两个分量，反射分量依次通过介质垫片、第一单面镀反射膜的四分之一波片的波片部分后，被第一单面镀反射膜的四分之一波片的反射面反射，再次依次经过第一单面镀反射膜的四分之一波片的波片部分、介质垫片后射入第一偏振分束器，透过第一偏振分束器偏振反射面；透射分量依次通过中空垫片、第二单面镀反射膜的四分之一波片的波片部分后，被第二单面镀反射膜的四分之一波片的反射面反射，再次依次经过第二单面镀反射膜的四分之一波片的波片部分、中空垫片后射入第一偏振分束器，被第一偏振分束器偏振反射面反射，并与透过第一偏振分束器偏振反射面光重合。重合光为发散光。该重合发散光经过透镜转化为重合平行光，透镜支撑架用于支撑透镜所需空间。合理调节偏振转换器使得重合光中频率为f0基频成分为圆偏光，频率为f-1和f+1正负一级边带成分为偏振方向互相垂直的线偏光。重合平行光进入原子气室与原子作用后，第二偏振分束器将激光分为两束，分别采用第一、二光电探测器探测，两光电探测器信号之差作为输出。
如上所述的f0与f-1、f+1关系为：f+1＝f0+fm，f-1＝f0-fm，其中fm为激光器调制频率。
如上所述的偏振转换器中，VCSEL发出的激光偏振方向与偏振分束器的偏振透过轴向呈45°，经第一偏振分束器分为功率相等的两束。第一偏振分束器为正方体，第一单面镀反射膜的四分之一波片和第二单面镀反射膜的四分之一波片具有相同的尺寸，并采用相同材料制成。介质垫片厚度为d1，折射率为n0，中空垫片厚度为d2，d1、n0和d2满足关系
使经第一偏振分束器偏振反射面分束后再重合的两束激光光斑尺寸相同。经第一偏振分束器偏振反射面分束后再重合的两束激光所经过的光程之差为2×ΔL，ΔL≈(2×m+1)×c/(8×fm)，且ΔL≈(2×n+1)×c/(4×f0)，其中c为光速，m、n为非负整数，较佳地，m＝0。透镜将发散光聚焦为平行光。
如上所述的原子气室中充有碱金属原子，激光从偏振转换器进入原子气室后基频f0边带与原子跃迁共振，用于碱金属原子极化，偏振方向互相垂直的正负一级边带线偏光与碱金属原子跃迁失谐，通过探测原子对激光偏振面的旋转来测量磁场或角速度。
本发明提出一种多色单激光束旋光探测原子传感器方案，采用微波调制垂直腔面发射激光器(VCSEL)输出的多色激光束，用一个偏振转换器实现激激光束的基频光成分为圆偏振的抽运光，正负一级边带频率为用作探测旋光效应的线偏振光。多色激光束与磁场中的原子作用后经过光学偏振分析仪(第二偏振分束器)后分别被光电探测器探测，两光电探测器输出相减作为信号，其中正负一级边带成分偏振方向旋转分别产生的信号以叠加的形式被提取。本方案基频为原始激光频率，正负一级边带频率与基频的频差为调制频率，基频与正负一级边带频率成分的光强分配由调制深度决定，所以可方便地实现工作于与原子跃迁频率共振的频率的基频圆偏振光，以及工作于最佳失谐频率正负一级边带的线偏振光。值得指出的是，失谐光与原子作用产生原子跃迁谱线光频移效果，会对探测精度产生负面影响。多色光方案采用多色光，正负边带光频对称失谐多色光产生的光频移程度比圆-线双激光束方案的单边失谐光弱得多。与现有技术相比，本发明在精简原子传感器探头的结构，减小探头的体积与成本的基础上提高了传感器灵敏度。
上述传感器中各器件集成度高，体积小，功耗低；是芯片级原子传感器的方案以及物理单元装置。这种方案实现的传感器灵敏度高。它克服了现有原子传感器体积大，灵敏度低等问题，可实现高灵敏度原子传感器。
附图说明
图1为芯片原子传感器探头平面结构及光线传播图。
图2a为本传感器探头结构立体图。
图2b本传感器探头中光线偏振变化及探测原理图(以出射光中基频光为右旋圆偏光为例)。
图3为利用本发明方案进行实验得到的灵敏度信号图。
图中：1-VCSEL；2a-第一PBS；2b-第二PBS；3a-介质垫片；3b-中空垫片；4a-第一单面镀反射膜的四分之一波片；4b-第二单面镀反射膜的四分之一波片；5-透镜；6-透镜支撑架；7-原子气室；8a-第一光电探测器；8b-第二光电探测器；9-偏振转换器；L1-VCSEL出射激光束；L2-第一PBS反射激光束；L3-第一PBS透射激光束；L4-介质垫片臂反射激光束；L5-中空垫片臂反射激光束；L6-重合发散激光束；L7-重合平行激光束；L8-与原子作用后激光束；L9-偏振分析透射激光束；L10-偏振分析反射激光束。
具体实施方式
实施例1：
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1所示为芯片原子传感器探头平面结构及光线传播图。本探头包括VCSEL 1、第一PBS 2a、第二PBS 2b、介质垫片3a、中空垫片3b、第一单面镀反射膜的四分之一波片4a、第二单面镀反射膜的四分之一波片4b、透镜5、透镜支撑架6、原子气室7、第一光电探测器8a和第二光电探测器8b。第一PBS 2a为立方体，一个面上粘接连接VCSEL 1(激光入射面)，与激光入射面相对的面上粘接连接中空垫片3b(中空管)，中空垫片3b上粘接连接第二单面镀反射膜的四分之一波片4b；与激光入射面垂直的一个面粘接连接介质垫片3a(玻璃)，介质垫片3a上粘接连接第一单面镀反射膜的四分之一波片4a。与激光入射面垂直的另一个面(合束光输出面)粘接连接透镜支撑架6，透镜5设在透镜支撑架6，透镜支撑架6上粘接连接原子气室7，原子气室7上粘接连接第二PBS 2b，第二PBS 2b的两个相互垂直的面上粘接连接第一光电探测器8a和第二光电探测器8b。
VCSEL 1为光源，VCSEL 1产生调频多色线偏振发散光。该发散光被第一PBS 2a分为两束，其中反射激光束依次经过介质垫片3a、第一单面镀反射膜的四分之一波片4a波片部分，被第一单面镀反射膜的四分之一波片4a反射面反射后再次经过第一单面镀反射膜的四分之一波片4a波片部分、介质垫片3a，透过PBS 2a偏振反射面；透射激光束依次经过中空垫片3b、第二单面镀反射膜的四分之一波片4b波片部分，被第二单面镀反射膜的四分之一波片4b反射面反射后再次经过第二单面镀反射膜的四分之一波片4b波片部分、中空垫片3b，被PBS 2a偏振反射面反射，并与透过PBS 2a偏振反射面的激光束重合。重合光依然为发散光。重合发散光经过透镜5转换为重合平行激光束。透镜支撑架6用于支撑透镜5所需空间。重合平行激光束射入原子气室7，与原子气室7中原子作用。与原子作用后激光束射入第二PBS 2b，被第二PBS 2b分为两束，被进行偏振分析，其中偏振分析透射光被第一光电探测器8a探测，偏振分析反射光被第二光电探测器8b探测。图1虚线框内第一PBS 2a、介质垫片3a、中空垫片3b、第一单面镀反射膜的四分之一波片4a、第二单面镀反射膜的四分之一波片4b、透镜5和透镜支撑架6组成偏振转换器9。
设置第一PBS 2a为正方体，第一单面镀反射膜的四分之一波片4a和第二单面镀反射膜的四分之一波片4b的尺寸和材料相同，光介质垫片3a厚度为d1，折射率为n0，中空垫片3b的厚度为d2，d1、d2、n0满足关系：d1＝n0×d2。使光介质垫片臂反射激光束L4和中空垫片臂反射激光束L5在到达第一PBS 2a偏振反射面时光斑尺寸相同。
本传感器探头结构立体图如图2a。图2b为本传感器探头中光线偏振变化及探测原理图(以偏振转换器9出射光中基频光为右旋圆偏光为例)。VCSEL 1产生的入射激光L1中所有频率成分的偏振方向为
入射激光L1被第一PBS 2a分为功率相同的两束，即第一PBS反射激光束L2和第一PBS透射激光束L3。第一PBS反射激光束L2偏振方向为y，其首先通过光介质垫片3a(石英)，再依次经过第一单面镀反射膜的四分之一波片4a的波片部分、反射面、波片部分后，转变成介质垫片臂反射激光束L4。设置第一单面镀反射膜的四分之一波片4a快轴方向为
或
使介质垫片臂反射激光束L4透过第一PBS 2a偏振反射面。第一PBS透射激光束L3偏振方向为x，其首先通过中空垫片3b(中空管)，再依次经过第二单面镀反射膜的四分之一波片4b的波片部分、反射面、波片部分后，转变成中空垫片臂反射激光束L5。设置第二单面镀反射膜的四分之一波片4b快轴方向为
或
使中空垫片臂反射激光束L5在第一PBS 2a偏振反射面被反射。介质垫片臂反射激光束L4和中空垫片臂反射激光束L5在第一PBS 2a偏振反射面重合产生重合发散激光束L6。重合发散激光束L6经过透镜5转变成重合平行激光束L7。重合平行激光束L7穿过原子气室7后变为原子气室出射光L8。原子气室出射光L8被第二PBS 2b进行偏振分析，被分为两束，其中偏振分析透射光L9被第一光电探测器8a探测；偏振分析反射光L10被第二光电探测器8b探测。
偏振转换器9原理如下：介质垫片臂反射光L4和中空垫片臂反射光L5相干，在第一PBS 2a的偏振反射面重合时发生干涉，重合发散激光束L6的偏振由激光从分束到重合传播过程中的光程差决定。设置第一单面镀反射膜的四分之一波片4a和第二单面镀反射膜的四分之一波片4b的尺寸相同，则总光程差的一半ΔL＝n0×d1-d2。但由于不同的频率成分的光在经过相同光程差时相位差不同，因此重合发散激光束L6中不同边带成分的偏振不同。重合发散激光束L6中主要包括频率为f0基频光、频率为f+1正一阶边带和频率为f-1负一阶边带。基频f0与f-1、f+1关系为：f+1＝f0+fm；f-1＝f0-fm，其中fm为激光调制频率。我们的目标是重合发散激光束L6中频率为f0的基频光为右旋圆偏振光，即偏振方向
频率分别为f+1和f-1的正负一级边带光为偏振相互垂直的线偏光，偏振方向为
为了使频率为f0的基频光变为右旋圆偏振光，ΔL应满足
ΔL＝(2×n+1)×c/(4×f0)， (1)
其中c为光速，n为非负奇数，即ΔL是与f0有关的一系列值。为了实现光抽运，频率为f0的基频光与原子共振。例如作用原子为87Rb原子，作用能级为D1线基态F＝2到激发态F’＝2跃迁，跃迁中心频率fc约为377104GHz。同时为了满足正负一级边带光分别变为相互垂直的线偏振光，ΔL同时应满足
ΔL＝c/(8×fm) (2)
例如调制频率fm＝15GHz，由(2)式得出，ΔL＝5mm。对于选定的f0和fm，(1)(2)式可能不能同时成立，且在加工探头时难以按激光波长尺寸精度控制ΔL使(1)式成立。然而由于谱线展宽，激光在跃迁中心频率±fw范围内原子对基频光吸收基本不变，特别是在芯片原子传感器中一般需要将原子气室7加热到很高温度，且原子气室7中充有缓冲气体，fw可达几GHz，甚至10GHz以上。在实际加工探头时，可先加工出ΔL’≈5mm，使(2)式近似成立，然后在fc-fw到fc+fw范围内调整激光基频f0’使(1)式近似成立。这样我们就能获得与目标光近似的激光束。确定ΔL’≈5mm后可以容易确定其他器件尺寸，例如玻璃介质垫片3a材质为玻璃，折射率n0＝1.5，联立d1＝n0×d2和ΔL＝n0×d1-d2解得d1’≈3mm，d2’≈2mm。同时，若VCSEL 1在真空中半发散角
为7.5°，第一PBS 2a边长为3mm，则透镜的焦距约为9mm，重合平行激光束L7的直径约为2mm，较优地，我们可选原子气室7的通光孔直径为2mm。
探测原理如下：重合平行激光束L7中包含频率为f0’的基频光为右旋圆偏振光，频率分别为f+1和f-1的正负一级边带光为偏振相互垂直的线偏光。原子气室7中的工作原子吸收重合平行激光束L7中频率为f0’的分量光被极化，频率为f0’分量圆偏振光偏振不变。当重合平行激光束L7中频率为f-1’和f+1’分量线偏振光穿过原子气室7时，线偏光的偏振面将被极化原子旋转一定的角度，旋转角与待测磁场或传感器旋转角速率有关，且频率为f-1’和f+1’分量线偏振光旋转方向相反。原子气室出射光L8中含有未被吸收的频率为f0’的圆偏振光以及频率为f-1’和f+1’的旋转后线偏振光，其中频率为f0’分量圆偏振光被第二PBS 2b分为功率相等的两束，而频率为f-1’和f+1’的旋转后线偏振光则被第二PBS 2b分为功率不相等的两束。例如图2b中偏振旋转方向，入射偏振分析反射光L9光功率将大于偏振分析透射光L10光功率。将第一光电探测器8a输出减去第二光电探测器8b输出(差分)，差分结果为频率为f+1’分量光和频率为f-1’分量光偏振旋转信号之和，为对磁场或传感器旋转角速率敏感信号。
如上所述，本发明中基频圆偏振光与原子共振将原子抽运极化，正负一阶边带线偏振光与原子失谐探测原子极化。基频为原始激光频率，正负一级边带频率与基频的频差为调制频率，基频与正负一级边带频率成分的光强分配由调制深度决定，所以可方便地实现工作于与原子跃迁频率共振的频率的基频圆偏振光，以及工作于最佳失谐频率正负一级边带的线偏振光。失谐光与原子作用产生原子跃迁谱线光频移效果，会对探测精度产生负面影响。本方案中正负边带光频对称失谐多色光产生的光频移程度比圆-线双激光束方案的单边失谐光更弱。如图3所示，本发明实现了1pT/√Hz的灵敏度。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种芯片原子传感器实现方法，其特征是：将入射的一束由纵腔面发射激光器调制产生线偏振多色激光束转变基频为圆偏振和正负一阶边带为相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束，所述多色多偏振激光束与磁场中原子气室中的碱金属原子作用，其中为圆偏振的基频成分作为抽运光极化原子，为线偏振的正负一阶边带成分作为探测光探测原子极化，与碱金属原子作用后的激光束再次经偏振分为两束，所述两束激光被两光电探测器分别探测，实现磁场原子信息探测。
2.如权利要求1所述芯片原子传感器实现方法，其特征是一束线偏振多色激光束转变为圆偏振和相互垂直的线偏振的多色多偏振激光束是利用偏振转换器将多色光转换为基频为圆偏振激光和相互垂直的线偏振激光。
3.如权利要求2所述芯片原子传感器实现方法，其特征是所述圆偏振激光，相互垂直的线偏振激光合束后进入原子气室。
4.一种芯片原子传感器，它包括原子气室，原子气室顺光向设有第二偏振分束器，第二偏振分束器不同的输出方向分别设第一光电探测器和第二光电探测器，其特征在于原子气室逆光向设有偏振转换器，所述偏振转换器包括第一偏振分束器，所述第一偏振分束器一个面上连接垂直腔面发射激光器，与激光入射面相对的面上粘接第二光介质垫片，第二光介质垫片上粘接连接第二反射波片，与激光入射面垂直的一个面粘接连接第一光介质垫片，第一光介质垫片上粘接连接第一反射波片；
所述偏振转换器用于将一束线偏振多色激光转换为基频为圆偏振激光和相互垂直的线偏振激光，并将圆偏振激光和线偏振激光合束输出。
5.如权利要求4所述芯片原子传感器，其特征在于偏振转换器光输出端与原子气室之间设有透镜，透镜用于将发散光转换为平行光输出。
6.如权利要求4所述芯片原子传感器，其特征在于光路上相邻的两器件粘接连接。
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