CN110426652A - 一种serf磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置及方法，通过光纤分束器与波长计的组合，能够通过调整或多次设定抽运光频率来对光频移的中心频率进行测量，然后将抽运光调谐至中心频率，以消除光频移及其所产生的磁场，从而避免光频移虚拟磁场影响磁强计工作。

Description

一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置及方法

技术领域

本发明涉及SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制技术，特别是一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置及方法，通过光纤分束器与波长计的组合，能够通过调整或多次设定抽运光频率来对光频移的中心频率进行测量，然后将抽运光调谐至中心频率，以消除光频移及其所产生的磁场，从而避免光频移虚拟磁场影响磁强计工作。

背景技术

光场是频率很高的电磁场。由斯塔克效应可知，原子在交流电磁场中会能级分裂，产生光频移。在SERF磁强计(a spin-exchange-relaxation-free atomic magnetometer)中，经过碱金属气室的抽运光产生的光频移会转化为一个虚拟磁场如下

其中r_e＝2.82×10^-15m为经典电子半径，c＝3×10⁸m/s为光速，为振荡常数，Φ为单位面积光子通量，它与光强I成正比，γ^e＝2π×2.8MHz/G为电子旋磁比，Γ为气室展宽，是光的圆偏振度，因为抽运光是一束圆偏振光，所以s≈1。ν为抽运光频率，ν₀为光频移中心频率。因为ν-ν₀<<Γ/2，则虚拟磁场可以简化如下

其中k_LS为一个常数。因为抽运光光频移所产生的虚拟磁场大约为几nT，已经开始影响磁强计工作，所以抑制这个虚拟磁场对于提升磁强计性能意义重大。

通过虚拟磁场计算公式可以知道一种抑制光频移的方法，即将抽运光频率V调谐至中心频率Vo处。理论上来说，用碱金属原子D1线激光进行抽运时，中心频率ν₀应该是D1线频率，但是因为实际系统的限制，中心频率Vo在D1线附近，需要采取适当方法进行测量。所以，抑制光频移的前提就在于是否可以精确测量出光频移的中心频率Vo。常用的测量中心频率方法是通过光吸收法，测量气室碱金属原子谱线，但是因为气室中充有缓冲气体，这种方法测量的精度不够理想。有鉴于此，本发明人完成了本发明。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置及方法，通过光纤分束器与波长计的组合，能够通过调整或多次设定抽运光频率来对光频移的中心频率进行测量，然后将抽运光调谐至中心频率，以消除光频移及其所产生的磁场，从而避免光频移虚拟磁场影响磁强计工作。

本发明技术方案如下：

一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置，其特征在于，包括磁屏蔽桶，所述磁屏蔽桶内设置有检测光光纤准直器、抽运光光纤准直器和光电检测器，所述检测光光纤准直器通过起偏器与第一反射镜光连接，所述第一反射镜通过碱金属气室与第二反射镜光连接，所述第二反射镜依次通过二分之一波片和沃尔夫棱镜与光电检测器光连接，所述光电检测器形成SERF磁强计输出信号，所述抽运光光纤准直器通过四分之一波片与所述碱金属气室光连接，所述磁屏蔽桶外设置有光纤分束器，所述光纤分束器将抽运激光器的抽运光分成两束光，其中一束光进入波长计用于监测和调整所述抽运光频率，另一束光传输至所述四分之一波片。

所述磁屏蔽桶外设置有检测激光器，所述检测激光器连接所述检测光光纤准直器。

所述碱金属气室外设置有磁补偿装置和无磁电加热烤箱。

所述磁补偿装置连接设置在所述磁屏蔽桶外的函数发生器。

所述抽运光从所述抽运光光纤准直器输出并经过所述四分之一波片后变成圆偏振光进入所述碱金属气室。

所述检测激光器发射出的检测光从所述检测光光纤准直器输出并经过所述起偏器后变成线偏振光进入所述碱金属气室。

一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制方法，其特征在于，包括利用上述SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置执行以下步骤：

(1)将抽运光激光器的抽运光频率固定在碱金属原子D1线附近，设为第一附近频率ν₁，然后改变抽运光的光强I，利用三维原位磁补偿方法测量不同光强下磁场补偿值B_comp1，再将抽运光激光器的抽运光频率固定于D1线另一个附近，设为第二附近频率ν₂,重复上述操作，得到第二组磁场值B_comp2，两组磁场补偿值为光频移产生的虚拟磁场B_LS与剩磁B_z0之和：

(2)利用最小二乘法，对步骤(1)中所采集的数据I-B_comp1与I-B_comp2进行线性拟合，得到以下拟合的斜率k₁,k₂的方程：

(3)通过k₁,k₂,ν₁,ν₂，用下式进行计算出光频移中心频率ν₀：

(4)将抽运光的频率调整至光频移中心频率ν₀处，以便抑制光频移及其所产生的虚拟磁场。

本发明的技术效果如下：本发明一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置及方法，由于采用了光纤分束器与波长计的组合，能够借助波长计，将激光抽运光频率调谐至碱金属D1线附近的某一频率ν₁，然后通过改变输入激光器电流来改变光强I，在每一个光强I，通过磁强计输出信号进行三维原位磁补偿技术(该技术可以参考以下文献：SeltzerS.J.,Romalis M.V.Unshielded three-axis vector operation of a spin-exchangerelaxation-free atomic magnetometer[J].Applied Physics Letters,2004,V85(20):4804-4806)进行磁场补偿，记录每一个磁场补偿值B_comp1；然后改变抽运光的频率至ν₁，重复上述操作，记录第二组磁场补偿值B_comp2；然后利用B_comp1和B_comp2各自的关系式，用最小二乘法拟合出斜率k₁,k₂各自的关系式；再利用k₁,k₂,ν₁,ν₂计算出光频移中心频率ν₀，将抽运光的频率调整至光频移中心频率ν₀处，以便抑制光频移及其所产生的虚拟磁场。

本发明与现有技术相比的优点在于：通过调整激光的频率来消除光频移的方法关键在于光频移中心频率测量。现有的测量手段是通过测量气室的光谱，但是因为气室内压力较大，较大的压力展宽会影响到最终的测量精度。本发明提出的方法中心频率测量与光谱测量精度无关，所以可以达到更高的光频移抑制效果。

附图说明

图1是实施本发明一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置的结构示意图。

图2是实施本发明一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制方法的流程图。

附图标记列示如下：1-检测激光器；2-抽运激光器；3-波长计；4-函数发生器；5-光纤分束器；6-抽运光光纤准直器；7-1/4波片(四分之一波片，产生附加光程差或相位差为λ/4)；8-碱金属气室；9-检测光光纤准直器；10-起偏器；11-第一反射镜；12-第二反射镜；13-1/2波片(二分之一波片，产生附加光程差或相位差为λ/2)；14-沃尔夫棱镜；15-光电检测器；16-SERF磁强计输出信号(SERF磁强计：a spin-exchange-relaxation-free atomicmagnetometer)；17-无磁电加热烤箱；18-磁屏蔽桶；19-磁补偿装置。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置的结构示意图。图2是实施本发明一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制方法的流程图。如图1至图2所示，一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置，包括磁屏蔽桶18，所述磁屏蔽桶18内设置有检测光光纤准直器9、抽运光光纤准直器6和光电检测器15，所述检测光光纤准直器9通过起偏器10与第一反射镜11光连接，所述第一反射镜11通过碱金属气室8与第二反射镜12光连接，所述第二反射镜12依次通过二分之一波片13和沃尔夫棱镜14与光电检测器15光连接，所述光电检测器15形成SERF磁强计输出信号16，所述抽运光光纤准直器6通过四分之一波片7与所述碱金属气室8光连接，所述磁屏蔽桶18外设置有光纤分束器5，所述光纤分束器5将抽运激光器2的抽运光分成两束光，其中一束光进入波长计3用于监测和调整所述抽运光频率，另一束光传输至所述四分之一波片7。所述磁屏蔽桶18外设置有检测激光器1，所述检测激光器1连接所述检测光光纤准直器9。所述碱金属气室8外设置有磁补偿装置19和无磁电加热烤箱17。所述磁补偿装置19连接设置在所述磁屏蔽桶18外的函数发生器4。所述抽运光从所述抽运光光纤准直器6输出并经过所述四分之一波片7后变成圆偏振光进入所述碱金属气室8。所述检测激光器1发射出的检测光从所述检测光光纤准直器9输出并经过所述起偏器10后变成线偏振光进入所述碱金属气室8。

一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制方法，包括利用上述SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置执行以下步骤：

(1)将抽运光激光器的抽运光频率固定在碱金属原子D1线附近，设为第一附近频率ν₁，然后改变抽运光的光强I，利用三维原位磁补偿方法测量不同光强下磁场补偿值B_comp1，再将抽运光激光器的抽运光频率固定于D1线另一个附近，设为第二附近频率ν₂,重复上述操作，得到第二组磁场值B_comp2，两组磁场补偿值为光频移产生的虚拟磁场B_LS与剩磁B_z0之和：

(2)利用最小二乘法，对步骤(1)中所采集的数据I-B_comp1与I-B_comp2进行线性拟合，得到以下拟合的斜率k₁,k₂的方程：

(3)通过k₁,k₂,ν₁,ν₂，用下式进行计算出光频移中心频率ν₀：

(4)将抽运光的频率调整至光频移中心频率ν₀处，以便抑制光频移及其所产生的虚拟磁场。

图2为本发明的测量方法流程图。启动抽运激光器2，抽运光通过光纤传播经过光纤分束器5分成两束光，其中一束进入波长计3，用于监测抽运光频率，另一束抽运光通过光纤进入抽运光光纤准直器6后，激光从准直器输出后，经过1/4波片7后抽运光变成圆偏振光，进入碱金属气室8。检测光从检测光激光器1发射出，通过光纤进入检测光光纤准直器9，激光从准直器输出后，经过起偏器10后，激光变成线偏振光，然后光经过第一反射镜11射入碱金属气室8。然后激光经过第二反射镜12后，射入1/2波片13后进入沃尔夫棱镜14，使得检测光变成两束，最后两束检测光光束进入光电检测器15，最终得到SERF磁强计输出信号16。测量方法流程包括：第一步，将激光器调谐至碱金属原子D1线附近频率v1，然后改变光强频率，测量出第一组对应光强的磁场补偿值数据。第二步，然后将激光器调谐至另一碱金属D1线附近频率v2重复上述步骤，得到第二组光强对应磁场补偿值数据。第三步，通过最小二乘法拟合，将上述两组磁补偿值与光强的数据进行线性拟合，得到两个拟合斜率K1，K2。第四步，最后用公式，可以计算出光频移中心频率。第五步，将抽运光的频率调谐至上一步所计算出的光频移中心频率，最后抑制光频移的虚拟磁场。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (7)

1.一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置，其特征在于，包括磁屏蔽桶，所述磁屏蔽桶内设置有检测光光纤准直器、抽运光光纤准直器和光电检测器，所述检测光光纤准直器通过起偏器与第一反射镜光连接，所述第一反射镜通过碱金属气室与第二反射镜光连接，所述第二反射镜依次通过二分之一波片和沃尔夫棱镜与光电检测器光连接，所述光电检测器形成SERF磁强计输出信号，所述抽运光光纤准直器通过四分之一波片与所述碱金属气室光连接，所述磁屏蔽桶外设置有光纤分束器，所述光纤分束器将抽运激光器的抽运光分成两束光，其中一束光进入波长计用于监测和调整所述抽运光频率，另一束光传输至所述四分之一波片。

2.根据权利要求1所述的SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置，其特征在于，所述磁屏蔽桶外设置有检测激光器，所述检测激光器连接所述检测光光纤准直器。

3.根据权利要求1所述的SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置，其特征在于，所述碱金属气室外设置有磁补偿装置和无磁电加热烤箱。

4.根据权利要求3所述的SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置，其特征在于，所述磁补偿装置连接设置在所述磁屏蔽桶外的函数发生器。

5.根据权利要求1所述的SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置，其特征在于，所述抽运光从所述抽运光光纤准直器输出并经过所述四分之一波片后变成圆偏振光进入所述碱金属气室。

6.根据权利要求1所述的SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置，其特征在于，所述检测激光器发射出的检测光从所述检测光光纤准直器输出并经过所述起偏器后变成线偏振光进入所述碱金属气室。

7.一种SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制方法，其特征在于，包括利用上述权利要求1-6之一所述的SERF磁强计光频移虚拟磁场抑制实验装置执行以下步骤：

(1)将抽运光激光器的抽运光频率固定在碱金属原子D1线附近，设为第一附近频率ν₁，然后改变抽运光的光强I，利用三维原位磁补偿方法测量不同光强下磁场补偿值B_comp1，再将抽运光激光器的抽运光频率固定于D1线另一个附近，设为第二附近频率ν₂,重复上述操作，得到第二组磁场值B_comp2，两组磁场补偿值为光频移产生的虚拟磁场B_LS与剩磁B_z0之和：

(2)利用最小二乘法，对步骤(1)中所采集的数据I-B_comp1与I-B_comp2进行线性拟合，得到以下拟合的斜率k₁,k₂的方程：

(3)通过k₁,k₂,ν₁,ν₂，用下式进行计算出光频移中心频率ν₀：

(4)将抽运光的频率调整至光频移中心频率ν₀处，以便抑制光频移及其所产生的虚拟磁场。