CN109856570A - 一种相干布居囚禁cpt铷原子磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干布居囚禁CPT铷原子磁力仪，包括VCSEL激光器、准直透镜、λ/4波片、ITO加热器、原子气室、磁屏蔽桶、光电探测器、数据采集模块、温控模块、上位机以及电路控制模块。在与光路平行的磁场作用下，测量调制激光经过铷原子气室产生的CPT信号，然后根据CPT信号之间频率差与磁场强度之间的关系，实现对磁场的准确测量。本发明降低了外部杂乱磁场的干扰，提高了输出CPT信号的稳定性，且具有灵敏度高、低功耗、体积小等优点，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

一种相干布居囚禁CPT铷原子磁力仪

技术领域

本发明涉及一种相干布居囚禁CPT铷原子磁力仪，属于原子磁力仪技术领域。

背景技术

在现代科技中，磁探测技术的应用非常广泛。磁场测量可用于地球物理研究、油气和矿产勘查、军事国防、医学诊断、地质调查及考古研究等领域。而其中弱磁探测是一个非常重要且具有很大发展前景的研究方向。。目前，主要是采用超导量子干涉器件(Superconducting Quantum 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，但是该磁力仪装置复杂、对工作环境要求高、使用维护成本高，普适性差，不利于弱磁探测的研究发展。

基于相干布局困禁(Coherent Population Trapping,CPT)的原子磁力仪，因为其独特的性质在很多领域有着很好的应用潜力。该磁力仪因其绝对测量的方案且无需校准，在导航和空间磁测方向有着很好的前景。

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CPT铷原子磁力仪，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CPT铷原子磁力仪，其特征在于：所述的磁力仪包括VCSEL激光器(1)、准直透镜(2)、λ/4波片(3)、ITO加热器(4)、原子气室(5)、磁屏蔽桶(6)、光电探测器(7)、数据采集模块(8)、温控模块(9)、上位机(10)以及电路控制模块(11)。

上位机(10)通过控制温控模块(9)以及ITO加热器(4)使得VCSEL激光器(1)、原子气室(5)、和光电探测器(7)保持在适合的温度下工作，上位机(10)通过电路控制模块(11)令VCSEL激光器(4)产生单一频率v_L激光，并且电路控制模块(11)对VCSEL激光器(4)进行微波v_MW调制，则激光会产生两个满足CPT共振需要的±1级边带，频率为v_L±v_MW，激光方向和待测磁场B平行依此通过准直透镜(2)和偏振器(3)转换成圆偏振光后进入原子气室(5)，同时，通过数据采集模块(8)采集原子气室(5)的实时温度和光电探测器(7)探测到的光强，最终通过上位机(10)处理可得到CPT信号峰曲线，然后根据CPT信号峰的频率差测得磁场B强度。

进一步，所述的VCSEL激光器(1)保持温度恒定，输出的光功率约为5mW～20mW，且VCSEL激光器(1)具有体积小，可以低功率发射激光降低功耗的优点。

所述的ITO加热器(4)仅通过金焊盘实现上ITO层和下ITO层之间的电接触。因此，由流过下ITO层的电流产生的磁场被在上ITO层中直接在其上方流动的返回电流的磁场抵消。

所述的原子气室(5)放在磁屏蔽桶(6)内，磁屏蔽桶(6)由坡莫合金材料制成，利用坡莫合金高磁导率的特性，屏蔽外界的杂散磁场。

所述的原子气室(5)充满⁸⁷Rb和缓冲气体。缓冲气体是含有约11kPa的氩气和21kPa的氖气，其降低了⁸⁷Rb和原子气室(5)内壁碰撞。原子气室(5)生产后需在100℃温度下退火30—40小时，这能有效抑制CPT共振频率漂移。

所述磁力仪工作时，原子气室(5)内为恒温环境，且温度为100℃～120℃，使得原子气室(5)内有足够的原子密度。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的磁力仪通过在与光路平行的磁场作用下，测量调制激光经过铷原子气室产生的CPT信号，然后根据CPT信号之间频率差与磁场强度之间的关系，实现对磁场的准确测量。

2、本发明降低了外部杂乱磁场的干扰，提高了输出CPT信号的稳定性，且具有灵敏度高、低功耗、体积小等优点。

附图说明

图1为本发明一种CPT铷原子磁力仪的结构示意图。

图2为实施例中微波调制后的激光频率及士1级边带示意图。

图3为本发明中ITO加热器结构示意图。

图4为实施例中CPT信号示意图。

图5为实施例中⁸⁷Rb原子D1线塞曼能级分裂图。

图6为实施例中CPT信号频率差Δv与磁场强度B关系示意图。

图中：VCSEL激光器(1)、准直透镜(2)、λ/4波片(3)、ITO加热器(4)、原子气室(5)、磁屏蔽桶(6)、光电探测器(7)、数据采集模块(8)、温控模块(9)、上位机(10)、电路控制模块(11)、玻璃层(12)、ITO层(13)、绝缘层(14)、金属焊盘(15)、环氧树脂(16)以及可导环氧树脂(17)。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种CPT铷原子磁力仪，包括VCSEL激光器(1)、准直透镜(2)、λ/4波片(3)、ITO加热器(4)、原子气室(5)、磁屏蔽桶(6)、光电探测器(7)、数据采集模块(8)、温控模块(9)、上位机(10)以及电路控制模块(11)。

各部件之间的组装关系如下：原子气室(5)置于磁屏蔽桶(6)内，待测磁场与光路平行穿过原子气室(5)，准直透镜(2)、λ/4波片(3)和ITO加热器(4-1)依次置于VCSEL激光器(1)和原子气室(5)光路上，ITO加热器(4-3)置于VCSEL激光器(1)之后，原子气室(5)后面的光路依次放置ITO加热器(4-2)和光电探测器(7)，ITO加热器(4-1)、ITO加热器(4-2)和ITO加热器(4-2)分别与温控模块(9-2)、温控模块(9-1)和温控模块(9-3)连接，温控模块(9-1)、(9-2)和(9-3)三个部分都与电路控制模块(11)连接，同时实现了温控模块(9-1)、(9-2)和(9-3)三个部分连接，温控模块(9-1)和光电探测器(7)分别与数据采集模块(8)连接，数据采集模块(8)和电路控制模块(11)分别与上位机(10)连接。

所述CPT铷原子磁力仪的具体工作原理如下：上位机(10)通过控制温控模块(9)以及ITO加热器(4)使得VCSEL激光器(1)、原子气室(5)、和光电探测器(7)保持在适合的温度下工作，上位机(10)通过电路控制模块(11)令VCSEL激光器(4)产生单一频率v_L激光，并且电路控制模块(11)对VCSEL激光器(4)进行微波v_MW调制，则激光会产生两个满足CPT共振需要的±1级边带，频率为v_L±v_MW，激光方向和待测磁场B平行依此通过准直透镜(2)和偏振器(3)转换成圆偏振光后进入原子气室(5)，同时，通过数据采集模块(8)采集原子气室(5)的实时温度和光电探测器(7)探测到的光强，最终通过上位机(10)处理可得到CPT信号峰曲线，然后根据CPT信号峰的频率差测得磁场B强度。

其中，VCSEL激光器(1)保持温度恒定，输出的光功率约为5mw～20mw，且VCSEL激光器(1)具有体积小，可以低功率发射激光降低功耗的优点。微波调制后的激光频率及士1级边带示意图如图2所示。如图3所示ITO加热器(4)仅通过金属焊盘(15)实现上下ITO层(13)之间的电接触。因此，流过下ITO层的电流产生的磁场被在上ITO层中直接在其上方流动的返回电流的磁场抵消。原子气室(5)充满⁸⁷Rb和缓冲气体。缓冲气体是含有约11kPa的氩气和21kPa的氖气，其降低了⁸⁷Rb和原子气室(5)内壁碰撞。为了抑制CPT共振频率漂移，原子气室(5)生产后需在100℃温度下退火30—40小时。原子气室(5)生产后需在100℃温度下退火30—40小时，这能有效抑制CPT共振频率漂移。在所述磁力仪工作时，原子气室(5)内为恒温环境，且温度为100℃～120℃。

图4为在磁场中，电路控制模块(11)调制VCSEL激光器(1)输出的不同频率激光与铷原子相互作用后检测及通过上位机(10)处理得到的CPT信号示意图。图4中横坐标的激光频率为VCSEL激光器(4)经微波调制产生两个±1级边带中频率较大的激光频率v_L+v_MW，当然统一使用频率较小的v_L-v_MW也可以。⁸⁷Rb原子D1线的超精细能级在外磁场作用下，基态F＝1和基态F＝2的能级根据塞曼效应发生劈裂如图5所示。ω_-1,-1频率的激光耦合基态F_g＝2,m_F＝-1、基态F_g＝1,m_F＝-1和激发态F_e＝2,m_F＝0,ω_0,0频率的激光耦合基态F_g＝2,m_F＝0、基态F_g＝1,m_F＝0和激发态F_e＝2,m_F＝1产生CPT共振。从而得到两个CPT信号，如图4所示。其中两个共振信号之间的频率差Δv与磁场强度B关系如图6所示，CPT信号频率差Δv与磁场强度B成正比具体如下式所示：

Δv＝ω_0,0-ω_-1,-1＝γB (1)

其中γ为⁸⁷Rb原子的旋磁比约为6.998123Hz/nT。所以只需测得频率差大小，即可计算出磁场强度B。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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)

1.一种相干布居囚禁CPT铷原子磁力仪，其特征在于：所述的磁力仪包括VCSEL激光器(1)、准直透镜(2)、λ/4波片(3)、ITO加热器(4)、原子气室(5)、磁屏蔽桶(6)、光电探测器(7)、数据采集模块(8)、温控模块(9)、上位机(10)以及电路控制模块(11)。

上位机(10)通过控制温控模块(9)以及ITO加热器(4)使得VCSEL激光器(1)、原子气室(5)、和光电探测器(7)保持在适合的温度下工作，上位机(10)通过电路控制模块(11)令VCSEL激光器(4)产生单一频率v_L激光，并且电路控制模块(11)对VCSEL激光器(4)进行微波v_MW调制，则激光会产生两个满足CPT共振需要的±1级边带，频率为v_L±v_MW，激光方向和待测磁场B平行依此通过准直透镜(2)和偏振器(3)转换成圆偏振光后进入原子气室(5)，同时，通过数据采集模块(8)采集原子气室(5)的实时温度和光电探测器(7)探测到的光强，最终通过上位机(10)处理可得到CPT信号峰曲线，然后根据CPT信号峰的频率差测得磁场B强度。

2.根据权利要求1所述的一种CPT铷原子磁力仪，其特征在于：所述的VCSEL激光器(1)保持温度恒定，输出的光功率约为5mW～20mW，且VCSEL激光器(1)具有体积小，可以低功率发射激光降低功耗的优点。

3.根据权利要求1所述的一种CPT铷原子磁力仪，其特征在于：所述的ITO加热器(4)仅通过金焊盘实现上ITO层和下ITO层之间的电接触。因此，由流过下ITO层的电流产生的磁场被在上ITO层中直接在其上方流动的返回电流的磁场抵消。

4.根据权利要求1所述的一种CPT铷原子磁力仪，其特征在于：所述的原子气室(5)放在磁屏蔽桶(6)内，磁屏蔽桶(6)由坡莫合金材料制成，利用坡莫合金高磁导率的特性，屏蔽外界的杂散磁场。

5.根据权利要求1所述的一种CPT铷原子磁力仪，其特征在于：所述的原子气室(5)充满⁸⁷Rb和缓冲气体。缓冲气体是含有约11kPa的氩气和21kPa的氖气，其降低了⁸⁷Rb和原子气室(5)内壁碰撞。原子气室(5)生产后需在100℃温度下退火30—40小时，这能有效抑制CPT共振频率漂移。

6.根据权利要求1所述的一种CPT铷原子磁力仪，其特征在于：所述磁力仪工作时，原子气室(5)内为恒温环境，且温度为100℃～120℃。