CN110579722A - 一种多通道原子气室、阵列的实现方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道原子气室、阵列的实现方法及其系统，其中多通道原子气室阵列的实现方法包括以下步骤：(A2)将多个原子气室依次排布在同一列上；(B2)设置至少一路泵浦光穿过同一列上的所有原子气室；(C2)设置每个原子气室被至少一路探测光射入，穿过同一原子气室的探测光的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度，在探测光射出原子气室的一侧设置与探测光数量相应的光电感应装置。本发明排除了不同通道之间的互相干扰，实现了泵浦光的光路共用，提高了信息的测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及原子磁力仪领域，更详而言之涉及一种多通道原子气室、阵列的实现方法及其系统。
背景技术
磁场信息存在于很多场合，利用磁场信息可以获得许多未知信息，在地磁探测，生物磁场检测等方面有很多应用。经典的磁场测量仪器有磁通门，高斯计等装置。随着量子测量技术的成熟发展，出现了基于量子效应的原子磁力仪，主要有光泵磁力仪，质子磁力仪，无自旋交换弛豫磁力仪，以及脉冲泵浦式磁力仪。原子磁力仪具有更高的灵敏度以及准确度，是当前磁场测量仪器的主流发展方向。
但是，现有的原子磁力仪多为单通道技术方案，即单个原子气室中只通过一路探测光，探测光与原子相互作用产生信号，然后经过相应的光电感应装置来接收磁场信息。单通道技术方案只能测量原子气室中单点的信息，造成信息的测量效率较低。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种多通道原子气室、阵列的实现方法及其系统，解决了光路通道的密度问题，排除了不同通道之间的互相干扰，实现了泵浦光的光路共用，提高了信息的测量效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种多通道原子气室的实现方法，其包括以下步骤：
(A1)设置至少一路泵浦光穿过一原子气室；
(B1)设置至少一路探测光射入所述原子气室，在探测光射出所述原子气室的一侧设置与探测光数量相应的光电感应装置；
(C1)设置穿过同一所述原子气室的探测光的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度。
根据本发明的优选实施例，所述光电感应装置包括一个光分束器和两个光电感应器，所述光分束器将从原子气室射出的所述探测光分成两束分别输入到两个所述光电感应器中，用于接收所述探测光与原子相互作用产生的信号。
优选地，设置探测光垂直于原子气室的表面穿过原子气室。
优选地，设置探测光垂直于泵浦光穿过原子气室。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一种多通道原子气室阵列的实现方法，其包括以下步骤：
(A2)将多个原子气室依次排布在同一列上；
(B2)设置至少一路泵浦光穿过同一列上的所有原子气室；
(C2)设置每个原子气室被至少一路探测光射入，穿过同一原子气室的探测光的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度，在探测光射出原子气室的一侧设置与探测光数量相应的光电感应装置。
根据本发明的另一优选实施例，所述多通道原子气室阵列的实现方法进一步包括步骤(D2)：在泵浦光射出原子气室的一侧设置平面反射镜，用于反射泵浦光沿原路返回，提高泵浦效率。
优选地，设置多个原子气室依次排布在同一直线上。
优选地，设置探测光垂直于原子气室的表面穿过原子气室。
优选地，设置泵浦光垂直于探测光穿过同一列上的所有原子气室。
根据本发明的另一优选实施例，所述光电感应装置包括一个光分束器和两个光电感应器，所述光分束器将从原子气室射出的所述探测光分成两束分别输入到两个所述光电感应器中，用于接收所述探测光与原子相互作用产生的信号。
依本发明的另一个方面，本发明进一步提供一种多通道原子气室阵列系统，其包括：
至少一列依次排布的原子气室；
多路探测光；
至少一路泵浦光；以及
与探测光数量相应的光电感应装置，其中每个所述原子气室被至少一路所述探测光穿过，穿过同一所述原子气室的所述探测光的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度，所述光电感应装置设置在所述探测光射出所述原子气室的一侧用于接收所述探测光与原子相互作用产生的信号，所述泵浦光穿过同一列上的所有所述原子气室。
根据本发明的另一优选实施例，所述光电感应装置包括一个光分束器和两个光电感应器，所述光分束器将从原子气室射出的所述探测光分成两束分别输入到两个所述光电感应器中，用于接收所述探测光与原子相互作用产生的信号。
优选地，所述原子气室依次排布在同一直线上。
优选地，所述探测光垂直于所述原子气室的表面穿过所述原子气室。
优选地，所述泵浦光垂直于所述探测光穿过同一列上的所有所述原子气室。
优选地，所述多通道原子气室阵列系统进一步包括至少一平面反射镜，所述平面反射镜设置在所述泵浦光射出所述原子气室的一侧，用于反射所述泵浦光沿原路返回，提高泵浦效率。
本发明的上述以及其它目的、特征、优点将通过下面的详细说明、附图、以及所附的权利要求进一步明确。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的配置示意图，其显示了单个原子气室被多路探测光射入；
图2是根据本发明的一个优选实施例的多通道原子气室的实现方法的流程示意图；
图3是根据本发明的另一优选实施例的另一配置示意图，其显示了单列原子气室的排列；
图4是根据本发明的另一优选实施例的多通道原子气室阵列的实现方法的流程示意图；
图5是根据本发明的另一优选实施例的另一配置示意图，其显示了多列原子气室的排列；
图中：泵浦光10；探测光20；原子气室30；光电感应装置40；泵浦光10A；探测光20A；原子气室30A；光电感应装置40A；平面反射镜50A。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参看附图之图1至图5，根据本发明的优选实施例的多通道原子气室、阵列的实现方法及其系统将在接下来的描述中被阐明，其中所述多通道原子气室解决了光路通道的密度问题，排除了同一原子气室内不同通道之间的互相干扰，提高了信息的测量效率。
如附图1所示，其显示了根据本发明的一个优选实施例的单个原子气室被多路探测光射入构成多通道原子气室。如上文所述，原子气室中的一个通道指的是一路探测光穿过原子气室，探测光与原子相互作用产生信号，并经过相应的光电感应装置接收信号，一路探测光对应一个通道。
原子气室内部有处于气态的原子和缓冲气体，原子在空间中高速自由运动，不断与缓冲气体分子碰撞，原子团的运动被限制在一定区域内，称之为扩散长度。在一定的温度和缓冲气体的气压作用下，扩散长度为一个常数。射入同一原子气室中的相邻探测光的间距需要大于扩散长度，才能保证不同的探测光作用检测的是不同的原子团，从而得到不同的检测信号。
因此需要通过加入一定缓冲气体的方法来减小原子团的扩散系数，多路探测光才能够共用一个原子气室来检测多点的磁场信息，同时也节省了空间和成本。
如附图2所示，本发明提供了一种多通道原子气室的实现方法，其包括以下步骤：
(A1)设置至少一路泵浦光10穿过单个原子气室30；
(B1)设置至少一路探测光20射入所述原子气室30，在探测光20射出所述原子气室30的一侧设置与探测光20数量相应的光电感应装置40；
(C1)设置穿过同一所述原子气室30的探测光20的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度。
光电感应装置40用于接收探测光20与原子相互作用产生的信号，从而使得系统能够获得检测到的磁场信息。本领域技术人员容易理解的是，所述光电感应装置40包括一个光分束器和两个光电感应器，所述光分束器将从原子气室30射出的所述探测光20分成两束分别输入到两个所述光电感应器中，用于接收所述探测光20与原子相互作用产生的信号。
泵浦光10射入到原子气室30中对原子进行极化，使得原子产生一个较大的宏观磁矩。原子内部磁矩有正负，大量原子在一起时磁矩会相互抵消。经过泵浦光10极化之后，多数原子磁矩为正或者为负，从而产生宏观磁矩，有了宏观磁矩之后探测光20才可以探测到信号。
如附图1所示，4路探测光20同时射入单个原子气室30，在探测光20射出原子气室30的一侧设置相应数量的4个光电感应装置40用于接收探测光20与原子相互作用产生的信号。通过这样的方式，实现了4路探测光20同时共用单个原子气室30进行四点的信息测量，提高了测量效率。
值得一提的是，穿过单个原子气室30的探测光20的数量在本优选实施例中不受限制，例如，在附图1示出的具体示例中，以4路探测光20穿过单个原子气室30为例来阐述和揭露本优选实施例的多通道原子气室的实现方法的内容和特征，但穿过单个原子气室30的探测光20的数量为4路并不能被视为对本优选实施例的多通道原子气室的实现方法的内容和范围的限制。可选地，在本优选实施例的多通道原子气室的实现方法的其他可能的示例中，穿过单个原子气室30的探测光20的数量也可以但不限于被实施为1、2、3、5、6、7、8路等。
由于原子气室30的表面存在一定的反射，为了避免探测光20被反射到系统的其他位置产生干扰，优选地，在步骤(B1)中设置探测光20垂直于原子气室30的表面穿过原子气室30。
优选地，在步骤(B1)中设置探测光20垂直于泵浦光10穿过所述原子气室30。
进一步参看附图之图3至图5，根据本发明的另一优选实施例的一种多通道原子气室阵列的实现方法及其系统将在接下来的描述中被阐明。
如图3和图4所示，本发明提供一种多通道原子气室阵列的实现方法，其包括以下步骤：
(A2)将多个原子气室30A依次排布在同一列上；
(B2)设置至少一路泵浦光10A穿过同一列上的所有原子气室30A；
(C2)设置每个原子气室30A至少被一路探测光20A射入，穿过同一原子气室30A的探测光20A的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度，在探测光20A射出原子气室30A的一侧设置与探测光20A数量相应的光电感应装置40A。
光电感应装置40A用于接收探测光20A与原子相互作用产生的信号，从而使得系统能够获得检测到的磁场信息。本领域技术人员容易理解的是，所述光电感应装置40A包括一个光分束器和两个光电感应器，所述光分束器将从原子气室30A射出的所述探测光20A分成两束分别输入到两个所述光电感应器中，用于接收所述探测光20A与原子相互作用产生的信号。
多个原子气室30A依次排布在同一列上，并且将至少一路泵浦光10A从设置于列头的原子气室30A射入，泵浦光10A穿过同一列上的所有原子气室30A，从设置于列尾的原子气室30A射出，实现了同一列上的多个原子气室30A共用泵浦光10A。
优选地，在步骤(A2)中设置多个原子气室30A依次排布在同一直线上。泵浦光10A经光纤准直器的准直作用后转变为平行光穿过同一直线上的所有原子气室30A。
如附图3所示，将3个原子气室30A依次排布在同一列，每个原子气室30A被2路探测光20A穿过，在探测光20A射出原子气室30A的每一侧设置相应数量的2个光电感应装置40A用于接收探测光20A与原子相互作用产生的信号。通过这样的方式，实现了2路探测光20A同时共用单个原子气室30A进行两点的信息测量，进一步实现了单列3个原子气室30A同时进行六点的信息测量。
本领域技术人员可以理解的是，依次排布在同一列上的原子气室30A的数量在本优选实施例中不受限制，例如，在附图3示出的具体示例中，以依次排布在同一列上的原子气室30A的数量为3个为例来阐述和揭露本优选实施例的多通道原子气室阵列的实现方法的内容和特征，但依次排布在同一列上的原子气室30A的数量为3个并不能被视为对本优选实施例的多通道原子气室阵列的实现方法的内容和范围的限制。可选地，在本优选实施例的多通道原子气室阵列的实现方法的其他可能的示例中，依次排布在同一列上的原子气室30A的数量也可以但不限于被实施为2、4、5、6、7、8个等。
本领域技术人员还可以理解的是，穿过单个原子气室30A的探测光20A的数量在本优选实施例中不受限制，例如，在附图3示出的具体示例中，以2路探测光20A穿过单个原子气室30A为例来阐述和揭露本优选实施例的多通道原子气室阵列的实现方法的内容和特征，但穿过单个原子气室30A的探测光20A的数量为2路并不能被视为对本优选实施例的多通道原子气室阵列的实现方法的内容和范围的限制。可选地，在本优选实施例的多通道原子气室阵列的实现方法的其他可能的示例中，穿过单个原子气室30A的探测光20A的数量也可以但不限于被实施为1、3、4、5、6、7、8路等。
由于原子气室30A的表面存在一定的反射，为了避免探测光20A被反射到系统的其他位置产生干扰，优选地，在步骤(C2)中设置探测光20A垂直于原子气室30A的表面穿过原子气室30A。
优选地，在步骤(C2)中设置探测光20A与泵浦光10A互相垂直。
值得一提的是，所述多通道原子气室30A阵列的实现方法进一步包括步骤(D2)：在所述泵浦光10A射出原子气室30A的一侧设置平面反射镜50A，用于反射所述泵浦光10A沿原路返回，提高泵浦效率。
泵浦光为圆偏振光(左旋圆偏振或者右旋圆偏振)。对于介质膜的反射镜，泵浦光经过平面反射镜之后会有一个半波损失，相当于相位偏转180度。由于经反射之后的泵浦光对于原子来说只是从左旋圆偏振光变成了右旋圆偏振光(或者从右旋圆偏振光变成了左旋圆偏振光)，因此对于原子来说，经平面反射镜反射回来的泵浦光和入射的泵浦光作用相同。通过在所述泵浦光10A射出原子气室30A的一侧设置平面反射镜50A实现了二次泵浦，提高了泵浦效率。
如图5所示，本发明进一步提供一种多通道原子气室阵列系统，其包括多列依次排布的原子气室30A，多路探测光20A，多路泵浦光10A，以及与探测光20A数量相应的光电感应装置40A。每个所述原子气室30A被至少一路所述探测光20A射入，穿过同一所述原子气室30A的所述探测光20A的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度，所述光电感应装置40A设置在所述探测光20A射出所述原子气室30A的一侧用于接收所述探测光20A与原子相互作用产生的信号，所述泵浦光10A穿过同一列上的所有所述原子气室30A。
本领域技术人员容易理解的是，所述光电感应装置40A包括一个光分束器和两个光电感应器，所述光分束器将从原子气室30A射出的所述探测光20A分成两束分别输入到两个所述光电感应器中，用于接收所述探测光20A与原子相互作用产生的信号。
多列所述原子气室30A依次排布组成点阵，每列所述原子气室30A都被至少一路所述泵浦光10A穿过，实现了同一列上的所有所述原子气室30A共用泵浦光10A。
优选地，同一列上的所有所述原子气室30A依次排布在同一直线上。泵浦光10A经光纤准直器的准直作用后转变为平行光穿过同一直线上的所有所述原子气室30A。
如附图5所示，将3列所述原子气室30A依次排布，每列由3个所述原子气室30A组成，每个所述原子气室30A被2路所述探测光20A穿过，在所述探测光20A射出所述原子气室30A的每一侧设置相应数量的2个所述光电感应装置40A用于接收所述探测光20A与原子相互作用产生的信号。通过这样的方式，实现了单列3个原子气室30A同时进行六点的信息测量，进一步实现了3列9个原子气室30A同时进行十八点的信息测量。
值得一提的是，依次排布的原子气室30A的列数在本优选实施例中不受限制，例如，在附图5示出的具体示例中，以依次排布的原子气室30A的列数为3个为例来阐述和揭露本优选实施例的多通道原子气室阵列系统的内容和特征，但依次排布的原子气室30A的列数为3个并不能被视为对本优选实施例的多通道原子气室阵列系统的内容和范围的限制。可选地，在本优选实施例的多通道原子气室阵列系统的其他可能的示例中，依次排布的原子气室30A的列数也可以但不限于被实施为1、2、4、5、6、7、8个等。
本领域技术人员可以理解的是，依次排布在同一列上的原子气室30A的数量在本优选实施例中不受限制，例如，在附图5示出的具体示例中，以依次排布在同一列上的原子气室30A的数量为3个为例来阐述和揭露本优选实施例的多通道原子气室阵列系统的内容和特征，但依次排布在同一列上的原子气室30A的数量为3个并不能被视为对本优选实施例的多通道原子气室阵列系统的内容和范围的限制。可选地，在本优选实施例的多通道原子气室阵列系统的其他可能的示例中，依次排布在同一列上的原子气室30A的数量也可以但不限于被实施为1、2、4、5、6、7、8个等。
本领域技术人员还可以理解的是，穿过单个原子气室30A的探测光20A的数量在本优选实施例中不受限制，例如，在附图5示出的具体示例中，以2路探测光20A穿过单个原子气室30A为例来阐述和揭露本优选实施例的多通道原子气室阵列系统内容和特征，但穿过单个原子气室30A的探测光20A的数量为2路并不能被视为对本优选实施例的多通道原子气室阵列系统的内容和范围的限制。可选地，在本优选实施例的多通道原子气室阵列系统的其他可能的示例中，穿过单个原子气室30A的探测光20A的数量也可以但不限于被实施为1、3、4、5、6、7、8路等。
由于原子气室30A的表面存在一定的反射，为了避免探测光20A被反射到系统的其他位置产生干扰，优选地，所述探测光20A垂直于所述原子气室30A的表面穿过所述原子气室30A。
优选地，所述泵浦光10A垂直于所述探测光20A穿过同一列上的所有所述原子气室30A。
值得一提的是，所述多通道原子气室30A阵列系统进一步包括至少一平面反射镜50A，所述平面反射镜50A设置在所述泵浦光10A射出所述原子气室30A的一侧，用于反射所述泵浦光10A沿原路返回，提高泵浦效率。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (10)
1.一种多通道原子气室的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A1)设置至少一路泵浦光穿过一原子气室；
(B1)设置至少一路探测光射入所述原子气室，在探测光射出所述原子气室的一侧设置与探测光数量相应的光电感应装置；
(C1)设置穿过同一所述原子气室的探测光的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度。
2.如权利要求1所述之多通道原子气室的实现方法，其特征在于，在所述步骤(B1)中，设置探测光同时垂直于原子气室的表面和泵浦光。
3.一种多通道原子气室阵列的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A2)将多个原子气室依次排布在同一列上；
(B2)设置至少一路泵浦光穿过同一列上的所有原子气室；
(C2)设置每个原子气室被至少一路探测光射入，穿过同一原子气室的探测光的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度，在探测光射出原子气室的一侧设置与探测光数量相应的光电感应装置。
4.如权利要求3所述之多通道原子气室阵列的实现方法，其特征在于，在所述步骤(A2)中，设置多个原子气室依次排布在同一直线上。
5.如权利要求3所述之多通道原子气室阵列的实现方法，其特征在于，在所述步骤(C2)中，设置探测光同时垂直于原子气室的表面和泵浦光。
6.如权利要求3-5中任一项所述之多通道原子气室阵列的实现方法，其特征在于，进一步包括步骤(D2)：在泵浦光射出原子气室的一侧设置平面反射镜用于反射泵浦光沿原路返回。
7.一种多通道原子气室阵列系统，其特征在于，包括：
至少一列依次排布的原子气室；
多路探测光；
至少一路泵浦光；以及
与探测光数量相应的光电感应装置，其中每个所述原子气室被至少一路所述探测光穿过，穿过同一所述原子气室的所述探测光的间距大于原子在一定温度下一定缓冲气体气压下的扩散长度，所述光电感应装置设置在所述探测光射出所述原子气室的一侧用于接收所述探测光与原子相互作用产生的信号，所述泵浦光穿过同一列上的所有所述原子气室。
8.如权利要求7所述之多通道原子气室阵列系统，其特征在于，所述原子气室依次排布在同一直线上。
9.如权利要求7所述之多通道原子气室阵列系统，其特征在于，所述探测光同时垂直于原子气室的表面和所述泵浦光。
10.如权利要求7-9中任一项所述之多通道原子气室阵列系统，其特征在于，进一步包括至少一平面反射镜，所述平面反射镜设置在所述泵浦光射出所述原子气室的一侧，用于反射所述泵浦光沿原路返回。
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