CN110879374A - 一种单光束自旋极化和检测方法 - Google Patents

一种单光束自旋极化和检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单光束自旋极化和检测方法，该方法利用的装置包括激光器、DMD、两个线偏振片、两个四分之一波片、磁屏蔽筒、温控、y方向磁场线圈、原子气室、光电探测器。该方法实现的过程为：激光器发出的激光经过DMD实现幅值调制，调制频率为y方向磁场By引起拉莫尔进动频率，顺序穿过第一线偏振片和第一四分之一波片后变成椭圆光打在高温的原子气室上，利用椭圆偏振光的圆偏成分使气室中的原子极化，并利用椭圆偏振光的线偏成分对原子的极化进行检测，即产生旋光角，最后顺序经过第二四分之一波片和第二线偏振片并在光电探测器上测得光强，根据计算模型得到旋光角。本发明光路简单，功耗较低，易于实现自旋成像和磁显微成像。

Description

一种单光束自旋极化和检测方法
技术领域
本发明属于原子磁强计技术领域，具体涉及一种单光束自旋极化和检测方法。
背景技术
原子磁强计是一种基于光和原子以及原子和磁场之间的相互作用来测量磁场的方法，他利用原子的进动性实现磁场的测量。原子磁强计相对于SQUID磁显微技术和金刚石色心磁显微技术等其他磁显微技术具有最高的磁场灵敏度，在高磁场灵敏度的应用场合具有更大的应用前景。
原子磁强计技术通过频率为碱金属D1线对应频率的圆偏光实现碱金属原子自旋极化，自旋极化后原子的磁矩在磁场的作用下做拉莫尔进动，此时，利用一束碱金属D1线波段的线偏振光探测旋光角或抽运光本身的吸收衰减量即可得到原子自旋极化的极化率。相对于光吸收法，旋光测量法对原子极化率的干扰更小，所以旋光测量法通常是最主要的方法。旋光测量法的关键在于旋光角的测量，传统的测量方法包括法拉第调制法、光弹调制法、差分探测法。法拉第调制方法和光弹调制法分别利用法拉第调制器和光弹调制器对检测光进行调制，最后通过锁相放大器解调得到旋光角的大小，这两种方法的关键在于调制解调，由于测量装置需要调制解调，这就使得光路复杂，功耗较高。而差分检测法则是利用偏振分光棱镜(PBS)对检测光进行差分探测，由于旋光角较小，可以通过差分探测的公式近似得到旋光角，但这种方法不仅需要两个光电探测器，而且偏振分光棱镜也使装置结构复杂。
常规的原子磁强计检测旋光角的方法是通过调制解调或差分探测，但在自旋成像方面，这些方法难以实现，另一方面，在科学研究和生产生活中很多地方要求装置简易和光路结构紧凑，现有的方法也不能满足需求。如何实现测量光路的精简以及自旋成像，是原子磁强计的一个至关重要的研究内容，目前在这一方面尚未有相关研究成果。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：1.在原子磁强计测量旋光角的过程中，多采用调制解调的方法，其功耗较大。2.无论是调制解调法还是差分探测法测量旋光角，光路以及配置复杂，不易实现仪器的小型化。3.现有的方法难以实现自旋成像，无法满足磁显微方面的应用。本发明克服现有技术的不足，提供一种单光束检测原子磁强计旋光角信号的方法，在单光束原子磁强计的基础上，仅使用四分之一波片和线偏振片就能实现旋光角的检测，与常见原子磁强计检测旋光角的方法相比，光路简单，结构紧凑，功耗极低，运行条件容易达到，易于小型化集成化，在磁显微方面有着广阔的应用前景。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种单光束自旋极化和检测方法，该方法利用的装置包括激光器、DMD、两个线偏振片、两个四分之一波片、磁屏蔽筒、温控、y方向磁场线圈、原子气室、光电探测器。该方法实现的过程为：激光器发出的激光经过DMD实现幅值调制，调制频率为y方向磁场By引起拉莫尔进动频率，顺序穿过第一线偏振片和第一四分之一波片后变成椭圆光打在高温的原子气室上，利用椭圆偏振光的圆偏成分实现气室中的原子自旋极化，并利用椭圆偏振光的线偏成分对原子的自旋极化进行检测，即产生旋光角，最后顺序经过第二四分之一波片和第二线偏振片并在光电探测器上测得光强，根据计算模型得到旋光角。
其中，激光的波长为原子气室中碱金属原子D1线跃迁对应的波长。
其中，原子气室的温度由温控控制，达到高温下原子腔内的热平衡。
其中，第一线偏振片的透光轴与x轴夹角为0，第一四分之一波片的快轴与x轴的夹角为π/8，第二四分之一波片的快轴与x轴的夹角为π/8，第二线偏振片的透光轴与x轴的夹角为3π/4。
本发明的原理在于：激光在经过第一偏振片和第一四分之一波片之后为一椭圆偏振光，由一左旋圆偏光和一右旋圆偏光组成，其琼斯矩阵为：
Figure BDA0002288565210000021
其中，E0为激光振幅，β是第一四分之一波片与x轴的夹角。上式中右边的第一项和第二项分别对应于左圆偏振光和右圆偏振光。
原子气室中原子被左旋和右旋圆偏光抽运，其自旋极化率为：
Figure BDA0002288565210000022
其中，Rrel是原子的自旋弛豫，
Figure BDA0002288565210000023
为左旋圆偏光抽运率，
Figure BDA0002288565210000031
是右旋圆偏光抽运率。
旋光角φ正比于自旋极化率Pz，具体形式为：
Figure BDA0002288565210000032
其中，n为原子密度，c为光速，re是电子半径，l是气室的长度，fD1是振荡强度，D1(δv)是D1线附近的归一化吸收系数。
气室的琼斯矩阵为：
Figure BDA0002288565210000033
第二四分之一波片的琼斯矩阵为：
Figure BDA0002288565210000034
第二线偏振片的琼斯矩阵为：
Figure BDA0002288565210000035
则输出光的琼斯矩阵为：
Eout＝GP2GQWGcellE
上述式子中β是已知量，Ex和Ey是实验可以直接测得的量，所以可以得到输出光强Eout和旋光角φ之间的关系。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用的装置为激光、波片、光电探测器等，相对于现有的技术，功耗极低。
(2)本发明的光路结构紧凑、光路精简，易于实现磁强计的小型化。
(3)本发明的方法可同时得到不同区域的旋光角信号，避免了差分探测中图像精确匹配的难题和调制解调方法中实时性差的缺点，因此在自旋成像和磁显微成像中具有独特的优势。
附图说明
图1为本发明测量装置的光路和结构示意图；
图中附图标记含义为：1为激光器，2为DMD，3为第一线偏振片，4为第一四分之一波片，5为磁屏蔽筒，6为原子气室，7为y方向磁场线圈，8为温控，9为第二四分之一波片，10为第二线偏振片，11为光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，一种单光束自旋极化和检测方法，该方法利用的装置包括激光器1、DMD 2、第一线偏振片3、第一四分之一波片4、磁屏蔽筒5、原子气室6、y方向磁场线圈7、温控8、第二四分之一波片9、第二线偏振片10和光电探测器11，激光器1选择894.6nm波长的激光器，894.6nm波长的激光器1同时被用于原子气室6中碱金属原子抽运和检测；激光依次通过DMD 2、第一线偏振片3、第一四分之一波片4后打在原子气室上，又依次通过第二四分之一波片9和第二线偏振片10，最后由光电探测器测得激光的光强；y方向磁场线圈7产生y方向磁场；温控8控制原子气室的高温热平衡；磁屏蔽筒5可以有效的屏蔽掉外界的磁场；原子气室6内充碱金属原子。
具体实施步骤如下：
首先设置激光波长为碱金属原子D1线跃迁频率对应的波长，经过DMD后被幅值调制，调制的频率为y方向的磁场By引起的拉莫尔进动频率，依次通过第一线偏振片3和第一四分之一波片4，第一线偏振片3的透光轴和第一四分之一波片4的快轴夹角为π/8。此时，激光是一个幅值调制的椭圆偏振光，既可以用来抽运，也可以用来检测。
然后依次放置第二四分之一波片9和第二线偏振片10，第一四分之一波片4的快轴和第二四分之一波片9的快轴重合，第二线偏振片10的透光轴和第一线偏振片3的透光轴的夹角为3π/4。
最后打开磁场，使用光电探测器测得激光光强，根据上述的数学模型计算得到旋光角。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种单光束自旋极化和检测方法，其特征在于：包括激光器(1)、DMD(2)、第一线偏振片(3)、第一四分之一波片(4)、磁屏蔽筒(5)、原子气室(6)、y方向磁场线圈(7)、温控(8)、第二四分之一波片(9)、第二线偏振片(10)、光电探测器(11)；待测磁场沿y轴方向记为By，一束激光经DMD(2)后被幅值调制，依次经过第一线偏振片(3)和第一四分之一波片(4)作用在原子气室(6)上，使得其中碱金属原子自旋极化，又经过第二四分之一波片(9)和第二线偏振片(10)，最后通过光电探测器(11)检测到光强信息，根据计算模型得出旋光角。
2.根据权利要求1所述的单光束自旋极化和检测方法，其特征在于：所述激光器(1)的出射激光经DMD(2)幅值调制，调制的频率为y方向的磁场By引起的拉莫尔进动频率，激光器(1)的波长为原子气室(6)中碱金属原子D1线跃迁频率所对应的波长。
3.根据权利要求1所述的单光束自旋极化和检测方法，其特征在于：所述激光器(1)的出射激光在经过第一线偏振片(3)和第一四分之一波片(4)后为幅值调制的椭圆偏振光，此时，激光打在原子气室上，不仅可以使碱金属原子极化，而且还可以用做检测光探测z轴方向的极化率。
4.根据权利要求1所述的单光束自旋极化和检测方法，其特征在于：所述待测主磁场方向沿y轴，其大小为By。
5.根据权利要求1所述的单光束自旋极化和检测方法，其特征在于：第一线偏振片(3)的透光轴沿x轴方向，第一四分之一波片(4)的快轴与x轴夹角为α，第二四分之一波片(9)的快轴与x轴夹角也为α，第二线偏振片(10)的透光轴与x轴夹角为2α+π/2，当α＝π/8时，光的利用效率最高，效果最佳。
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