CN110146831B - 腔级联增强和灵敏度可调的原子气室 - Google Patents

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Abstract

一种腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，包括玻璃泡、气体原子、线偏振探测光、F‑P腔、探测光透射光束组、可调狭缝和圆偏振泵浦光，气体原子密封在玻璃泡内，玻璃泡放置在F‑P腔的两个反射镜之间，圆偏振泵浦光沿垂直于F‑P腔轴线的方向入射并极化玻璃泡内的气体原子，线偏振探测光沿倾斜于F‑P腔轴线的方向入射并与玻璃泡内的被极化的气体原子相互作用，在F‑P腔作用下产生的探测光透射光束组经可调狭缝选择用于测量的检测光束组，实现腔级联增强和灵敏度可调。本发明具有原理清晰、操作方便、高测量灵敏度和分辨率的特点。

Description

腔级联增强和灵敏度可调的原子气室
技术领域
本发明涉及量子精密测量领域，尤其涉及一种腔级联增强和灵敏度可调的原子气室。
背景技术
高精度磁力测量仪器在航空磁探、磁导航、脑科学、暗物质探测等诸多领域有着广泛应用。光学原子磁力仪是现在发展最快的高精度磁力测量仪器之一，国外先进水平的磁力仪在灵敏度等方面依然远超我国，自主研制高灵敏度磁力仪具有非常重要的战略意义。原子磁力仪的核心是原子气室，其性能直接影响原子磁力仪的测量灵敏度。通过改善原子气室的性能来提高原子磁力仪的灵敏度主要有两类办法：一是通过在原子气室内壁镀膜和充入缓冲气体等抗弛豫技术延长气室内极化原子的自旋弛豫时间；二是利用腔增强技术延长探测光与气室内极化原子相互作用的有效距离和时间。到目前，抗弛豫技术仍处于不断研究状态，各种关联机制的影响有待进一步揭示；腔增强技术主要有腔共振增强和腔内多次反射增强两种方式，实验结果表明可以提高原子磁力仪的灵敏度。然而，目前还没有一种能够更进一步提高原子磁力仪灵敏度、同时可以实现灵敏度可调的原子气室。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种腔级联增强和灵敏度可调的原子气室。该发明应具有原理清晰、操作方便、更高测量灵敏度和分辨率的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，包括玻璃泡、气体原子、线偏振探测光、F-P腔、探测光透射光束组、可调狭缝和圆偏振泵浦光，气体原子密封在玻璃泡内，玻璃泡放置在F-P腔的两个反射镜之间，圆偏振泵浦光沿垂直于F-P腔轴线的方向入射并极化玻璃泡中的气体原子，线偏振探测光沿倾斜于F-P腔轴线的方向入射并与玻璃泡内的被极化的气体原子相互作用，在F-P腔作用下产生的探测光透射光束组经可调狭缝选择用于测量的检测光束组，实现腔级联增强和灵敏度可调。
为实现本发明的进一步优化，进一步的措施是：所述的玻璃泡由石英玻璃或硼硅玻璃或高硼硅玻璃材料制成，玻璃泡的形状为方形或球形或圆柱形。所述的气体原子为铷原子或铯原子或钾原子或氦原子或氙原子或前述五种原子的任意组合，或者还包含有氮气或氩气为缓冲气体。所述的线偏振探测光和圆偏振泵浦光满足气体原子中极化原子塞曼分裂谱线对应的波长要求。所述的F-P腔由入射端反射镜的第一基底和第一反射膜以及透射端反射镜的第二基底和第二反射膜组成，或者是在玻璃泡的两个正对表面镀反射膜组成，F-P腔为平面平行腔或球面腔或柱面腔或二次曲面腔或前述四种腔面的任意组合。所述的线偏振探测光入射方向与F-P腔轴线方向的夹角为0.001°-10°，线偏振探测光的光束束宽与F-P腔反射面宽度之间的比值为0.00001-0.9。所述的可调狭缝由可调边沿和固定边沿组成，移动可调边沿改变可调狭缝通光孔的宽度，可调狭缝通光孔之外不透光。
本发明的原理如下：
线偏振探测光通过被圆偏振泵浦光极化的气体原子，如果存在外磁场作用，线偏振探测光的偏振面将会偏转，偏转角度的大小与外磁场的大小成比例关系，通过测量探测光偏振面的偏转角度，可以求出外磁场。可以用多光束干涉模型来进一步分析腔级联增强和灵敏度可调的原子气室的原理。在共振条件下，假设线偏振探测光的偏振方向为x方向，每通过一次F-P腔光束的相移为δ，偏振面的旋转角度为φ，则第n条透射光束的总相移为(2n-1)δ，总的旋转角为(2n-1)φ，在x方向和y方向的偏振分量分别为
Figure GDA0002848178240000031
Figure GDA0002848178240000032
其中E0是线偏振探测光入射时的电场强度，t和r分别是F-P腔反射镜透射系数和反射系数。当线偏振探测光的光束宽度远小于F-P腔的尺寸，光束接近垂直入射时，可以近似认为透射次数n→∞。理论分析证明，由于反射透射损耗，最大透射次数合适时，采用n→∞近似，对多光束相干叠加结果的影响可以忽略。通过改变可变狭缝的通光宽度，使得N次透射及之后的透射光束才能输出被探测器接受，最后总的输出光是n∈[N，∞)时的所有透射光束相干叠加，设n＝m+N，则由(1)式和(2)式有
Figure GDA0002848178240000033
Figure GDA0002848178240000034
其中R是反射率。利用两个偏振分量的光强公式Ix＝|Ex|2和Iy＝|Ey|2,当反射率R≈1、旋转角
Figure GDA0002848178240000035
时，可以得到光强差公式
Figure GDA0002848178240000036
其中I0＝|E0|2是初始光强。(5)式即为腔级联增强和灵敏度可调的原子气室的理论公式。首先，通过屏蔽N次透射之前的所有透射光束，使得探测光在原子气室中的光程增长，提高探测光偏振面的偏转角度，即(5)式中的因子
Figure GDA0002848178240000037
起到腔内多次反射增强方法的效果，移动可调边沿调节N的大小，从而调节测量灵敏度；其次，N次透射及之后的透射光束通过多光束干涉，起到腔共振增强方法的效果，即(5)式中的因子
Figure GDA0002848178240000041
进一步提高测量灵敏度。
本发明的优点：
1、实现腔共振增强和腔内多次反射增强的级联，极大地提高探测光偏转角对微小外磁场的反应能力，提高原子磁力仪等原子测量仪器的测量灵敏度；
2、通过调节可调狭缝的通光宽度改变N值，从原子气室层面实现原子磁力仪等原子测量仪器的测量灵敏度可调；
3、F-P腔两侧的透射光都可以通过可调狭缝选择收集，不仅给信号和噪声处理提供新的途径，可以利用一个原子气室同时提供两种及以上测量灵敏度；
4、与现有腔共振增强方法和直接多次反射方法等腔增强技术相比较，并没有引入新的噪声源，在进一步提高磁力仪灵敏度时，不会导致噪声严重增加，保证了技术方案的有效性。
5、本发明具有结构简单、原理清晰、操作方便的特点。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明腔级联增强和灵敏度可调的原子气室的结构示意图。
图中：1、玻璃泡，2、气体原子，3、线偏振探测光，4、F-P腔，5、探测光透射光束组，6、可调狭缝，7、圆偏振泵浦光。
具体实施方式
参见附图1，一种腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，包括玻璃泡1、气体原子2、线偏振探测光3、F-P腔4、探测光透射光束组5、可调狭缝6和圆偏振泵浦光7，气体原子2密封在玻璃泡1内，玻璃泡1放置在F-P腔4的两个反射镜之间，圆偏振泵浦光7沿垂直于F-P腔4轴线的方向入射并极化玻璃泡1中的气体原子2，被光极化的气体原子2在外磁场作用下产生磁矩，线偏振探测光3沿倾斜于F-P腔4轴线的方向入射并与玻璃泡1中的极化原子相互作用，线偏振探测光3的偏振面发生旋转，线偏振探测光3每通过一次F-P腔4就有一部分光透射，在F-P腔4作用下形成探测光透射光束组5，移动可调狭缝6的可调边沿601，调节由可调边沿601和固定边沿602构成的通光孔宽度，使得探测光透射光束组5中的第一次至第N-1次透射形成的调控光束组501被屏蔽吸收，而第N次及之后透射形成的检测光束组502可以通过，测量检测光束组502在有无外磁场作用情况下的光强变化得出旋转角的大小，根据旋转角与磁场关系公式可以导出待测磁场。通过移动可调边沿601改变可调狭缝6的通光孔宽度，调控透射级次N的大小，实现腔级联增强和灵敏度可调。所述的玻璃泡1由石英玻璃或硼硅玻璃或高硼硅玻璃材料制成，玻璃泡1的形状为方形或球形或圆柱形。所述的气体原子2为铷原子或铯原子或钾原子或氦原子或氙原子或前述五种原子的任意组合，或者还包含有氮气或氩气为缓冲气体。所述的线偏振探测光3和圆偏振泵浦光7满足气体原子2中极化原子塞曼分裂谱线对应的波长要求。所述的F-P腔4由入射端反射镜的第一基底401和第一反射膜402以及透射端反射镜的第二基底403和第二反射膜404组成，或者是在玻璃泡1的两个正对表面镀反射膜组成，F-P腔4为平面平行腔或球面腔或柱面腔或二次曲面腔或前述四种腔面的任意组合。所述的线偏振探测光3入射方向与F-P腔4轴线方向的夹角为0.001°-10°。
实施例：圆偏振泵浦光7沿垂直于F-P腔4轴线的方向入射并极化玻璃泡1中的气体原子2，被光极化的气体原子2在外磁场作用下产生磁矩，线偏振探测光3沿倾斜于F-P腔4轴线的方向入射并与玻璃泡1中被极化的气体原子2相互作用，偏振探测光3的偏振面发生旋转，旋转角度与外部磁场成比例关系，通过测量透射光束组5的检测光束组502在有无外磁场作用情况下的光强变化得出旋转角的大小，根据旋转角与磁场关系公式可以导出待测的外磁场。由于可调狭缝6的作用，使得只有第N次透射之后的检测光束组502可以经过可调狭缝6后用于测量，透射级次小于N的调控光束组501被屏蔽吸收，通过移动可调边沿601的位置改变可调狭缝6的通光孔宽度，调控透射级次N的大小，实现灵敏度可调和腔级联增强。
在本实施例中，F-P腔4是平面平行腔，玻璃泡1是方形腔，玻璃泡1的形状可以是方形、球形或圆柱形。本发明具有结构简单、原理清晰、操作方便的特点，可以用于更高测量灵敏度和分辨率的原子测量仪器。

Claims (7)

1.一种腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，包括玻璃泡(1)、气体原子(2)、线偏振探测光(3)、F-P腔(4)、可调狭缝(6)、探测光透射光束组(5)和圆偏振泵浦光(7)，气体原子(2)密封在玻璃泡(1)内，玻璃泡(1)放置在F-P腔(4)的两个反射镜之间，圆偏振泵浦光(7)沿垂直于F-P腔(4)轴线的方向入射并极化玻璃泡(1)内的气体原子(2)，线偏振探测光(3)沿倾斜于F-P腔(4)轴线的方向入射并与玻璃泡(1)内被极化的气体原子(2)相互作用，在F-P腔(4)作用下产生的探测光透射光束组(5)经过可调狭缝(6)选择用于测量的检测光束组(502)，实现腔级联增强和灵敏度可调；所述的可调狭缝(6)由可调边沿(601)和固定边沿(602)组成，移动可调边沿(601)改变可调狭缝(6)通光孔的宽度，通光孔之外不透光。
2.根据权利要求1所述的腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，其特征在于，所述的玻璃泡(1)由石英玻璃或硼硅玻璃材料制成，玻璃泡(1)的形状为方形或球形或圆柱形。
3.根据权利要求1所述的腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，其特征在于，所述的气体原子(2)中的极化原子为铷原子或铯原子或钾原子或氦原子或氙原子或前述五种原子的任意组合，或者还包含有氮气或氩气为缓冲气体。
4.根据权利要求1所述的腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，其特征在于，所述的线偏振探测光(3)和圆偏振泵浦光(7)满足气体原子中极化原子塞曼分裂谱线对应的波长要求。
5.根据权利要求1所述的腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，其特征在于，所述的F-P腔(4)由入射端反射镜的第一基底(401)和第一反射膜(402)以及透射端反射镜的第二基底(403)和第二反射膜(404)组成，或者是在玻璃泡(1)的两个正对表面镀反射膜组成，F-P腔(4)为平面平行腔或球面腔或柱面腔或二次曲面腔或前述四种腔面的任意组合。
6.根据权利要求1所述的腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，其特征在于，所述的线偏振探测光(3)入射方向与F-P腔(4)轴线方向的夹角为0.001°-10°，线偏振探测光(3)的光束束宽与F-P腔(4)反射面宽度之间的比值为0.00001-0.9。
7.根据权利要求1所述的腔级联增强和灵敏度可调的原子气室，其特征在于，所述的检测光束组(502)的光强差满足如下的关系式
Figure FDA0002848178230000021
其中，Ix和Iy分别是检测光束组(5)的两个相互垂直偏振分量的光强，I0是线偏振探测光(3)的初始光强，R是第一反射膜(402)和第二反射膜(404)的反射率，N是由可调狭缝(6)确定的透射光束级次，线偏振探测光(3)的偏振方向为x方向，每通过一次F-P腔(4)光束的相移为δ，偏振面的旋转角度为φ。
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