CN110568382B - 基于serf的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置 - Google Patents
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Abstract
基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，能够在同一个气室的不同部分进行抽运，从而有利于在一个气室下同时实现高灵敏度三轴原子矢量磁场的测量，包括碱金属气室，其特征在于，所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部，所述右上方块的X轴方向为第一路抽运光束照射通道，所述左下方块的Z轴方向为第二路抽运光束照射通道，所述左上方块不受抽运光束照射，所述第一路抽运光束和所述第二路抽运光束交汇于所述右下空缺部。
Description
技术领域
本发明涉及原子磁强计技术，特别是一种基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，通过设置L形结构的碱金属气室，能够在同一个气室的不同部分进行抽运，从而有利于在一个气室下同时实现高灵敏度三轴原子矢量磁场的测量。SERF是Spin-Exchange-Relaxation-Free的缩写，即无自旋交换弛豫，SERF为本领域通用术语。
背景技术
近年来，随着人类在激光技术和原子操控等关键理论和技术取得进展，量子技术应用得到空前关注，成为世界各国研究的热点。在磁场测量领域，无自旋交换弛豫原子磁强计可显著提高磁场测量精度和灵敏度，已成为目前磁测量灵敏度最高的磁强计。根据测量的磁场信息是否包含方向信息，可以将原子磁强计分为标量磁强计和矢量磁强计两大类。其中矢量磁强计可以测量磁场空间分量，获得空间中某点磁场更加完整的信息。三轴矢量原子磁强计能够同时提供磁场三轴矢量方向、幅度信息以及总的标量磁场幅值，被广泛应用于基础物理学、深空/深地探测、脑磁心磁探测、生物极弱磁测量等领域，已成为新一代磁强计的发展方向。
利用无自旋交换原子磁强计实现三轴矢量化磁场测量，利用一个气室，使用分频调制方法可同时实现三轴灵敏度测量，但该方法在原子自旋方向磁场灵敏度较低。采用横向调制或纵向调制的方法，利用两个气室或者分不同时刻测量可实现高灵敏度三轴矢量磁场测量，但容易引入正交误差且不可连续测量。由于磁强计响应对原子极化方向磁场的不敏感性，无法利用一个气室同时实现三轴矢量磁场的超高灵敏度测量。目前现有的方法在一个气室下同时实现超高灵敏度三轴矢量磁场的测量难以实现。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，通过设置L形结构的碱金属气室，能够在同一个气室的不同部分进行抽运，从而有利于在一个气室下同时实现高灵敏度三轴原子矢量磁场的测量。
本发明的技术方案如下：
基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，包括碱金属气室，其特征在于，所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部，所述右上方块的X轴方向为第一路抽运光束照射通道，所述左下方块的Z轴方向为第二路抽运光束照射通道，所述左上方块不受抽运光束照射，所述第一路抽运光束和所述第二路抽运光束交汇于所述右下空缺部。
所述第一路抽运光束为第一路圆偏振光束，所述第二路抽运光束为第二路圆偏振光束，所述第一路圆偏振光束和所述第二路圆偏振光束均来源于同一抽运激光器发射的原始抽运光束，所述原始抽运光束通过第一偏振分光棱镜分成两路初始光束。
所述抽运激光器发射的激光波长在碱金属原子D1线的中心。
所述碱金属气室的外围设置有无磁电加热烤箱，所述无磁电加热烤箱的外围设置有三轴磁补偿线圈，所述三轴磁补偿线圈的外围设置有磁屏蔽桶，所述三轴磁补偿线圈连接有信号发生器。
所述右上方块的上方设置有第一1/4波片，所述第一1/4波片的上方设置有第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的上方设置有反射镜，所述反射镜的左前方设置有第二凸透镜，所述第二凸透镜的左前方设置有第一凸透镜，所述第一凸透镜的左前方设置有第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜的左前方设置有第一1/2波片，所述第一1/2波片的左前方设置有抽运激光器，所述抽运激光器发射原始抽运光束。
所述右上方块的下方设置有第三凸透镜，所述第三凸透镜的下方设置有第一光电探测器，所述第一光电探测器连接计算机。
所述第一偏振分光棱镜的下方设置有第二1/2波片，所述第二1/2波片的下方设置有光纤耦合器，所述光纤耦合器通过单模保偏光纤连接准直器，所述准直器输出准直抽运光束。
所述左下方块的左前方设置有第二1/4波片，所述第二1/4波片的左前方设置有第四偏振分光棱镜，所述第四偏振分光棱镜的左前方设置有第五凸透镜，所述第五凸透镜的左前方设置有第四凸透镜，所述第四凸透镜的左前方设置有第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜的左前方设置有第三1/2波片，所述第三1/2波片的左前方为所述准直器。
所述左下方块的右前方设置有第六凸透镜，所述第六凸透镜的右前方设置有第二光电探测器，所述第二光电探测器连接计算机。
所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种，内部充有缓冲气体氦气和淬灭气体氮气，通过充有高压强氦气，使碱金属不能自由扩散。
本发明的技术效果如下：本发明基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，克服现有常规的基于无自旋交换驰豫三轴矢量磁场测量方式中，无法利用一个气室同时实现三轴矢量磁场的超高灵敏度测量的问题。本发明利用L型碱金属气室对一个气室的不同部分进行抽运，在三个方向施加频率不同的三个正弦磁场，对原子自旋进动信号进行解调，从而实现三轴高灵敏度磁场测量。
碱金属气室中的原子在光抽运、弱磁场和高温加热三个条件下，工作于无自旋交换弛豫状态。利用L形碱金属气室对一个碱金属气室的不同部分进行抽运，利用三轴磁补偿线圈分别在三个方向施加频率不同的三个正弦磁场，利用光吸收原理检测原子自旋进动信号，使用锁相放大器对原子自旋进动信号进行解调，可实现三轴高灵敏度磁场测量。利用光吸收原理检测原子自旋进动信号，微弱磁场导致碱金属原子自旋进动，磁场大小与投射碱金属气室后的出射光强大小成比例，通过标定可得到磁场与光强的关系。通过三轴磁补偿线圈在三轴施加频率不同、大小相同的磁场，利用锁向放大器解调，可区分出第一光电探测器和第二光电探测器所接收光强信号中的三轴磁场信息。
本发明与现有技术相比：常规的无自旋交换弛豫原子自旋三轴磁场测量装置，利用一个气室，使用分频调制方法同时实现三轴同时测量，但该方式在原子自旋方向的磁场灵敏度较低；采用多个气室或者分不同时刻测量可实现高灵敏度三轴矢量磁场测量，但会引入非正交误差且无法连续测量。本发明采用L型气室，使用双束抽运光，利用横向调制的方法实现三轴矢量磁场的高灵敏度测量，从而解决常规方法存在的不足。
附图说明
图1是实施本发明基于无自旋交换弛豫的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置结构示意图，所述无自旋交换弛豫在本领域内又称SERF，SERF是Spin-Exchange-Relaxation-Free的缩写。
图2是图1中碱金属气室(L型或L形)结构示意图。所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部。第一路圆偏振光束照射右上方块(沿右上方块的X轴方向照射)，第二路圆偏振光束照射左下方块(沿左下方块的Z轴方向照射)，第一路圆偏振光束和第二路圆偏振光束交汇于右下空缺部。左上方块不受抽运光照射。
附图标记列示如下：1-抽运激光器；2-抽运光束或原始抽运光束；3-第一1/2波片(二分之一波片，产生附加光程差或相位差为λ/2)；4-第一偏振分光棱镜(将原始激光光束分成两路，其中一路形成第一路圆偏振光束，另一路形成第二路圆偏振光束)；5-第一凸透镜；6-第二凸透镜；7-反射镜；8-第二偏振分光棱镜；9-第一1/4波片(四分之一波片，产生附加光程差或相位差为λ/4)；10-第三凸透镜；11-第一光电探测器；12-第二1/2波片；13-光纤耦合器；14-单模保偏光纤；15-准直器；16-准直抽运光束；17-第三1/2波片；18-第三偏振分光棱镜；19-第四凸透镜；20-第五凸透镜；21-第四偏振分光棱镜；22-第二1/4波片；23-第六凸透镜；24-第二光电探测器；25-锁相放大器；26-计算机；27-磁屏蔽桶；28-三轴磁补偿线圈；29-无磁电加热烤箱；30-碱金属气室；31-信号发生器。
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为本发明装置的结构示意图，由图可见，本发明装置中包括抽运激光器1、抽运光束2、第一1/2波片3、第一偏振分光棱镜4、第一凸透镜5、第二凸透镜6、反射镜7、第二偏振分光棱镜8、第一1/4波片9、第三凸透镜10、第一光电探测器11、第二1/2波片12、光纤耦合器13、单模保偏光纤14、准直器15、准直抽运光束16、第三1/2波片17、第三偏振分光棱镜18、第四凸透镜19、第五凸透镜20、第四偏振分光棱镜21、第二1/4波片22、第六凸透镜23、第二光电探测器24、锁相放大器25、计算机26、磁屏蔽桶27、三轴磁补偿线圈28、无磁电加热烤箱29、碱金属气室30、信号发生器31。
在磁屏蔽桶27的内部，由外及内依次是：三轴磁补偿线圈28、无磁电加热烤箱29、碱金属气室30，磁屏蔽桶27用于为碱金属气室30提供无自旋交换弛豫状态所需的弱磁场环境，三轴磁补偿线圈28补偿磁屏蔽桶27内原子感受到的剩余磁场，无磁电加热烤箱29用于给碱金属气室30加热，将碱金属从常温的固态加热到气态，使其内部的碱金属原子密度达到1013～1014个/cm3。
抽运激光器1发射出抽运光束2，该光束依次经过第一1/2波片3和第一偏振分光棱镜4，之后分为相互垂直的两束光，与原传输方向相同的一路光束通过第一凸透镜5和第二凸透镜6实现扩束，经反射镜7后与原方向垂直，之后通过第二偏振分光棱镜8和第一1/4波片9转换为圆偏振光，透过磁屏蔽桶27和无磁电加热烤箱29，照射碱金属气室30的右上部分(即右上方块)，极化碱金属气室30右上部分(即右上方块)的碱金属原子。出射光经第三凸透镜10会聚到第一光电探测器11中转换为电信号。激光经过第一偏振分光棱镜4之后垂直的一束光通过第二1/2波片12进入光纤耦合器13的激光通过单模保偏光纤14进入光纤准直器15，光纤准直器15的出射光为准直抽运光束16，之后通过第三1/2波片17、第三偏振分光棱镜18，之后通过第四凸透镜19和第五凸透镜20实现扩束，之后通过第四偏振分光棱镜21和第二1/4波片22转换为圆偏振激光，照射到碱金属气室30的左下部分(左下方块)，用于极化碱金属气室30中的碱金属原子。出射光经第六凸透镜23会聚到第二光电探测器24中转换为电信号。信号发生器31与三维磁补偿线圈28相连，第一光电探测器11与第二光电探测器24的输出信号连接锁相放大器25,从而解调出原子自旋进动信号。锁相放大器25与计算机26相连，计算机26中有锁相放大器25的驱动软件，控制锁相放大器25，显示并存储锁相放大器25提取的信号。具体测量原理如下：
当外界磁场为零时，经过第一1/4波片9和第二1/4波片22的抽运光的初始光强为PD0的激光经过长度为l的被加热的碱金属气室30后，出射激光的光功率为
PDout＝PD0eOD
其中OD＝nlrefL(δυ)表示光学深度(Optical Depth)，表征碱金属原子对激光的吸收能力。OD中n表示碱金属气室中气态碱金属原子的数量密度，通常也称之为碱金属的原子浓度，c表示光速，re表示电子半径，f表示碱金属元素的振荡强度。
表示归一化的吸收谱线，式中δυ表示碱金属原子的吸收谱线线宽，在充满缓冲气体的碱金属气室30中主要是由气体的压力展宽决定的。
当用D1线的圆偏振光对碱金属原子进行光抽运使原子极化，可利用原子自旋效应可对外界磁场进行测量。三轴矢量磁场测量的数学模型可以用Bloch方程进行描述。
其中，P为碱金属电子极化矢量，B为磁场矢量。s是抽运光光子极化矢量，圆偏振光s＝1，线偏振光s＝0。z为抽运光方向。Rop为抽运率，是未极化原子吸收抽运光光子的平均概率，Rrel为总自旋弛豫率。q为减速因子，与核子自旋及原子极化率相关。γe为电子旋磁比。
为了便于推导，这里引入符号χ
磁场通常为一缓慢变化量，因此我们设dS/dt＝0，求得Bloch方程的准静态解
其中，P0为电子自旋极化初始值，是在没有磁场存在的情况下，电子自旋极化的平均值。
利用三轴磁补偿线圈28在三个方向施加频率不同的正弦磁场，sin(ω1t)+By sin(ω2t)+Bz sin(ω3t)调制下，外界总磁场为
其中，Bx0，By0和Bz0为待测磁场。取Pz的泰勒展开式的一阶项得到，
光电探测器11输出的信号PDout将会发生变化，
分别以ω1，ω2和ω3为参考频率，解调信号PDout的方法区分三轴磁场。在近零场工作时，因为Pz对z轴场不敏感，利用双束抽运光和L型气室来解决这个问题，如图2所示。第1，2部分为有效部分，这两个部分的原子自旋方向被抽运为垂直的两个方向。第一部分的原子自旋方向被抽运到x方向，通过解调y，z方向磁场频率，测量y，z方向磁场；第二部分的原子自旋方向被抽运到z方向，通过解调x，y方向磁场频率，测量x，y方向磁场。第三部分为冗余部分，不参与磁场测量。两束光均敏感y轴磁场，可以通过对y轴的磁场响应，调节两束光的夹角，当响应相同时，调节结束。通过上述方法可在一个气室下同时实现三轴高灵敏度磁场测量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，包括碱金属气室，其特征在于，所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部，所述右上方块的X轴方向为第一路抽运光束照射通道，所述左下方块的Z轴方向为第二路抽运光束照射通道，所述左上方块不受抽运光束照射，所述第一路抽运光束和所述第二路抽运光束交汇于所述右下空缺部；
所述第一路抽运光束为第一路圆偏振光束，所述第二路抽运光束为第二路圆偏振光束，所述第一路圆偏振光束和所述第二路圆偏振光束均来源于同一抽运激光器发射的原始抽运光束，所述原始抽运光束通过第一偏振分光棱镜分成两路初始光束；
所述碱金属气室的外围设置有无磁电加热烤箱，所述无磁电加热烤箱的外围设置有三轴磁补偿线圈，所述三轴磁补偿线圈的外围设置有磁屏蔽桶，所述三轴磁补偿线圈连接有信号发生器。
2.根据权利要求1所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述抽运激光器发射的激光波长在碱金属原子D1线的中心。
3.根据权利要求1所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述右上方块的上方设置有第一1/4波片，所述第一1/4波片的上方设置有第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的上方设置有反射镜，所述反射镜的左前方设置有第二凸透镜，所述第二凸透镜的左前方设置有第一凸透镜，所述第一凸透镜的左前方设置有第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜的左前方设置有第一1/2波片，所述第一1/2波片的左前方设置有抽运激光器，所述抽运激光器发射原始抽运光束。
4.根据权利要求1所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述右上方块的下方设置有第三凸透镜，所述第三凸透镜的下方设置有第一光电探测器，所述第一光电探测器连接计算机。
5.根据权利要求3所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜的下方设置有第二1/2波片，所述第二1/2波片的下方设置有光纤耦合器，所述光纤耦合器通过单模保偏光纤连接准直器，所述准直器输出准直抽运光束。
6.根据权利要求5所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述左下方块的左前方设置有第二1/4波片，所述第二1/4波片的左前方设置有第四偏振分光棱镜，所述第四偏振分光棱镜的左前方设置有第五凸透镜，所述第五凸透镜的左前方设置有第四凸透镜，所述第四凸透镜的左前方设置有第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜的左前方设置有第三1/2波片，所述第三1/2波片的左前方为所述准直器。
7.根据权利要求1所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述左下方块的右前方设置有第六凸透镜，所述第六凸透镜的右前方设置有第二光电探测器，所述第二光电探测器连接计算机。
8.根据权利要求1所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种，内部充有缓冲气体氦气和淬灭气体氮气，通过充有高压强氦气，使碱金属不能自由扩散。
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