CN110426653B - 一种测量光抽运率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量光抽运率的方法，能够通过测量抽运光光强I间接完成光抽运率Rop的测量，以便凭借测量光强的精度优势来提高光抽运率Rop的测量精度，其特征在于，包括以下步骤，利用SERF磁强计系统以实验方式建立光抽运率Rop与抽运光光强I之间一系列Rop‑I数据组，利用所述数据组标定比例系数k，根据Rop＝k·I关系式，通过测量抽运光光强I间接完成光抽运率Rop的测量。

Description

一种测量光抽运率的方法
技术领域
本发明涉及光抽运率测量技术，特别是一种测量光抽运率的方法，通过标定光抽运率Rop与抽运光光强I之间比例系数k，能够通过测量抽运光光强I间接完成光抽运率Rop的测量，以便凭借测量光强的精度优势来提高光抽运率Rop的测量精度。
背景技术
基于原子无自旋交换碰撞弛豫(Spin Exchange Relaxation Free Regime)的磁场测量装置是一种具有超高灵敏度的磁强计，在医学领域具有很大的作用。为了提升SERF磁强计的性能，优化光路参数是一种行之有效的方法。在优化光路过程中，很重要的一点就是要保证Rop＝Rrel。其中Rop为系统的光抽运率，而Rrel为系统的横向弛豫率。Rrel可以通过磁共振线宽方法(该方法可以参考以下文献：Seltzer S.J.Developments in alkali-metalatomic magnetometry[D].Princeton：Princeton University，2008)进行测量，如果可以找到有效的方法测量Rop，就可以有效地提升调试光路的效率。光抽运率Rop可以由下式进行计算：
Figure BDA0002116713170000011
其中I为抽运光光强，re为经典电子半径，c为光速，fD1为碱金属D1线振荡强度，s为抽运光圆偏振度，ΓL为气室的展宽，
Figure BDA0002116713170000012
为碱金属D1线的频率，v为抽运光频率。设一个常数
Figure BDA0002116713170000013
则光抽运率Rop的公式可被简化为
Rop＝k·I
本发明人认为，如果可以通过标定的方法将比例系数k求出，即可通过抽运光光强I来换算出此时光抽运率Rop，从而凭借测量光强的精度优势来提高光抽运率Rop的测量精度。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，提供一种测量光抽运率的方法，通过标定光抽运率Rop与抽运光光强I之间比例系数k，能够通过测量抽运光光强I间接完成光抽运率Rop的测量，以便凭借测量光强的精度优势来提高光抽运率Rop的测量精度。
本发明技术方案如下：
一种测量光抽运率的方法，其特征在于，包括以下步骤，利用SERF磁强计系统以实验方式建立光抽运率Rop与抽运光光强I之间一系列Rop-I数据组，利用所述数据组标定比例系数k，根据Rop＝k·I关系式，通过测量抽运光光强I间接完成光抽运率Rop的测量。
所述比例系数k使用所述一系列Rop-I数据组进行最小二乘法线性拟合而得到。
所述光抽运率Rop通过SERF磁强计输出信号出现最大值时的横向弛豫率Rrel确定，即Rop＝Rrel，当所述SERF磁强计输出信号出现最大值时即形成一组Rop-I数据。
所述Rrel数据通过以下方式获得：将SERF磁强计系统中的碱金属气室加热到若干个不同温度，在每一个温度T下，用磁共振方法对系统的横向弛豫率进行测量并记录，然后，保持T不变，改变抽运光的功率，观察所述SERF磁强计输出信号大小，当所述SERF磁强计输出信号出现最大值时，记录横向弛豫率Rrel数据和被测量出的抽运光的光强I。
所述碱金属气室加热采用无磁电加热烤箱。
所述用磁共振方法对系统的横向弛豫率进行测量的方式包括利用Rrel＝q(0)·Δω关系式，其中Δω为磁共振线宽，q(0)为减慢因子，据此通过测量磁共振线宽来测量横向弛豫率大小。
所述SERF磁强计输出信号符合下列方程：
Figure BDA0002116713170000021
其中，Out为SERF磁强计输出信号，Sx为X方向的极化率，kPD为输出信号与Sx的比例系数，γe为电子旋磁比，By为标定磁场，根据所述方程解得：SERF磁强计输出信号Out在Rop＝Rrel时取得最大值。
所述Rop＝k·I由以下关系式简化得到：
Figure BDA0002116713170000031
其中I为抽运光光强，re为经典电子半径，c为光速，fD1为碱金属D1线振荡强度，s为抽运光圆偏振度，ΓL为气室的展宽，
Figure BDA0002116713170000033
为碱金属D1线的频率，ν为抽运光频率，设一个常数
Figure BDA0002116713170000032
即得Rop＝k·I。
所述SERF磁强计系统，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。
本发明的技术效果如下：本发明一种测量光抽运率的方法，适用于SERF磁强计系统，提供一种可行的方法对抽运光光抽运率进行测量。本发明与现有技术相比的优点在于：通过标定光抽运率与光强之间比例系数，然后通过测量光强即可得到光抽运率。因为目前，光强的测量手段比较精确，所以本发明的光抽运率的测量精度也很高。
附图说明
图1是实施本发明一种测量光抽运率的方法流程图。
图2是实施图1方法涉及的SERF磁强计系统中抽运光关联装置结构示意图。
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)或系统信号输出端；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是实施本发明一种测量光抽运率的方法流程图。图2是实施图1方法涉及的SERF磁强计系统中抽运光关联装置结构示意图。参考图1至图2，一种测量光抽运率的方法，包括以下步骤，利用SERF磁强计系统以实验方式建立光抽运率Rop与抽运光光强I之间一系列Rop-I数据组，利用所述数据组标定比例系数k，根据Rop＝k·I关系式，通过测量抽运光光强I间接完成光抽运率Rop的测量。所述比例系数k使用所述一系列Rop-I数据组进行最小二乘法线性拟合而得到。所述光抽运率Rop通过SERF磁强计输出信号出现最大值时的横向弛豫率Rrel确定，即Rop＝Rrel，当所述SERF磁强计输出信号出现最大值时即形成一组Rop-I数据。所述Rrel数据通过以下方式获得：将SERF磁强计系统中的碱金属气室加热到若干个不同温度，在每一个温度T下，用磁共振方法对系统的横向弛豫率进行测量并记录，然后，保持T不变，改变抽运光的功率，观察所述SERF磁强计输出信号大小，当所述SERF磁强计输出信号出现最大值时，记录横向弛豫率Rrel数据和被测量出的抽运光的光强I。所述碱金属气室加热采用无磁电加热烤箱。
所述用磁共振方法对系统的横向弛豫率进行测量的方式包括利用Rrel＝q(0)·Δω关系式，其中Δω为磁共振线宽，q(0)为减慢因子，据此通过测量磁共振线宽来测量横向弛豫率大小。所述SERF磁强计输出信号符合下列方程：
Figure BDA0002116713170000051
其中，Out为SERF磁强计输出信号，Sx为X方向的极化率，kPD为输出信号与Sx的比例系数，γe为电子旋磁比，By为标定磁场，根据所述方程解得：SERF磁强计输出信号Out在Rop＝Rrel时取得最大值。所述Rop＝k·I由以下关系式简化得到：
Figure BDA0002116713170000052
其中I为抽运光光强，re为经典电子半径，c为光速，fD1为碱金属D1线振荡强度，s为抽运光圆偏振度，ΓL为气室的展宽，
Figure BDA0002116713170000053
为碱金属D1线的频率，v为抽运光频率，设一个常数
Figure BDA0002116713170000054
即得Rop＝k·I。
所述SERF磁强计系统，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。
图1是实施本发明一种测量光抽运率的方法流程图。如图1所示，第一步，将碱金属气室加热到某一温度T，用磁共振方法测量并记录此时气室的横向弛豫率Rrel。第二步，保持气室温度不变，改变抽运光的功率，观察系统输出信号大小，记录输出信号最大时，抽运光的光强大小，记录Rop-I数据。第三步，改变气室温度，重复上述操作，测量多组Rop-I数据。将数据通过最小二乘法进行线性拟合，得到比例系数k。第四步，借助比例系数k，即可通过测量未知抽运光光强来间接测得光抽运率。
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)

1.一种测量光抽运率的方法，其特征在于，包括以下步骤，利用SERF磁强计系统以实验方式建立光抽运率Rop与抽运光光强I之间一系列Rop-I数据组，利用所述数据组标定比例系数k，根据Rop＝k·I关系式，通过测量抽运光光强I间接完成光抽运率Rop的测量；
所述光抽运率Rop通过SERF磁强计输出信号出现最大值时的横向弛豫率Rrel确定，即Rop＝Rrel，当所述SERF磁强计输出信号出现最大值时即形成一组Rop-I数据；
所述Rrel数据通过以下方式获得：将SERF磁强计系统中的碱金属气室加热到若干个不同温度，在每一个温度T下，用磁共振方法对系统的横向弛豫率进行测量并记录，然后，保持T不变，改变抽运光的功率，观察所述SERF磁强计输出信号大小，当所述SERF磁强计输出信号出现最大值时，记录横向弛豫率Rrel数据和被测量出的抽运光的光强I；
所述用磁共振方法对系统的横向弛豫率进行测量的方式包括利用Rrel＝q(0)·Δω关系式，其中Δω为磁共振线宽，q(0)为减慢因子，据此通过测量磁共振线宽来测量横向弛豫率大小。
2.根据权利要求1所述的测量光抽运率的方法，其特征在于，所述比例系数k使用所述一系列Rop-I数据组进行最小二乘法线性拟合而得到。
3.根据权利要求1所述的测量光抽运率的方法，其特征在于，所述碱金属气室加热采用无磁电加热烤箱。
4.根据权利要求1所述的测量光抽运率的方法，其特征在于，所述SERF磁强计输出信号符合下列方程：
Figure FDA0002557177290000011
其中，Out为SERF磁强计输出信号，Sx为X方向的极化率，kPD为输出信号与Sx的比例系数，γe为电子旋磁比，By为标定磁场，根据所述方程解得：SERF磁强计输出信号Out在Rop＝Rrel时取得最大值。
5.根据权利要求1所述的测量光抽运率的方法，其特征在于，所述Rop＝k·I由以下关系式简化得到：
Figure FDA0002557177290000021
其中I为抽运光光强，re为经典电子半径，c为光速，fD1为碱金属D1线振荡强度，s为抽运光圆偏振度，ΓL为气室的展宽，
Figure FDA0002557177290000023
为碱金属D1线的频率，v为抽运光频率，设一个常数
Figure FDA0002557177290000022
即得Rop＝k·I。
6.根据权利要求1所述的测量光抽运率的方法，其特征在于，所述SERF磁强计系统，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。
7.根据权利要求6所述的测量光抽运率的方法，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，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。
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