CN111060747A - 一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，它包括下述步骤：步骤一：核自旋进动产生磁场；步骤二：电子自旋构造原子磁强计检测核自旋进动磁场；步骤三：反演核自旋进动信息。本发明的有益效果在于：一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其主要优势在于核自旋进动产生磁场，能够被电子自旋感受而引起电子自旋进动。因此，可以通过电子自旋构造原子磁强计，测量核自旋的进动磁场从而得到核自旋的进动频率信息。同时，在核磁共振陀螺中，电子自旋与核自旋被混合于同一个原子气室内，电子自旋与核自旋的耦合会使电子自旋感受到的核自旋进动磁场增强，从而提高对核自旋进动频率信息的检测能力。

Description

一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法

技术领域

本发明属于原子陀螺领域原子自旋进动检测方法，具体涉及一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法。

背景技术

核磁共振陀螺基于原子操控技术的前沿研究进展，具有高精度、小体积等综合优势，是未来高精度、微小型陀螺技术的主要发展方向之一。角运动信息的获取，需要在载体系中对核自旋进动进行精密测量。由于采用光场直接极化核自旋相对困难，检测激光直接与核自旋相互作用以提取进动信息较为困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，它能够解决现有技术的缺陷。

本发明的技术方案如下：一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，它包括下述步骤：

步骤一：核自旋进动产生磁场；

步骤二：电子自旋构造原子磁强计检测核自旋进动磁场；

步骤三：反演核自旋进动信息。

所述的步骤一包括一束驱动激光垂直射入原子气室的一个面，定义其入射方向为Z轴正向，用于极化碱金属原子的电子自旋，将光子角动量传递给电子自旋，使电子自旋的极化率达到P，极化的电子自旋将角动量传递给核自旋，实现惰性气体核自旋的极化，极化率达到P_n，惰性气体核自旋被极化后具有宏观指向，产生磁矩，电子自旋与核自旋被混合于同一个原子气室内，电子自旋与核自旋的耦合会使电子自旋感受到的核自旋进动磁场增强，碱金属电子自旋感受到的核自旋进动磁场强度为：

式中，κ₀为自旋交换增大系数，μ₀为真空磁导率，常数；M为核自旋磁化强度，μ_Xe为核子磁矩，n_Xe为惰性气体原子密度，P_n为核自旋极化率。

所述的步骤二包括一束检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，定义其入射方向为X轴正向；根据右手法则定义Y轴正向，建立XYZ直角坐标系，核自旋进动磁场在Y轴上投影By为

式中，ω为核自旋进动频率，待测量；θ为核自旋进动张开的角度，为已知量；t为时间，电子自旋构造的原子磁强计检测核自旋进动磁场在Y轴上投影By。

所述的步骤二还包括所述原子磁强计检测核自旋进动磁场的具体方式为：一束驱动激光垂直射入原子气室的一个面，用于极化碱金属原子的电子自旋，使电子自旋的极化率达到P，具有沿Z轴的宏观指向；在Y轴方向施加磁场By使电子自旋宏观指向发生进动偏转角β，一束检测激光检测偏转角β，

所述的进动偏转角β与施加磁场By满足如下关系：

式中，l为检测光通过原子气室长度，c为光的传播速度3×10⁸m/s，re为电子半径2.82×10^-15m，f为常数1/3，ν₁和ν₂分别为碱金属原子D1线和D2线的跃迁频率，

n为碱金属原子饱和蒸气压密度，与温度有关，可用下式表示：

A和B是与碱金属原子有关的常数，

所述的进动偏转角β测量方法，采用差分偏振法检测偏转角，其具体实施途径如下：检测光经过原子气室以后，被一个线偏振分束器分为强度相同的两束光，其强度分别为：

I₁＝I₀·cos²(β-π/4)

I₂＝I₀·sin²(β-π/4)

对I₁与I₂进行差分与求和计算，可以分别得到：

I₁-I₂＝I₀·cos[2(β-π/4)]＝I₀·sin2β

I₁+I₂＝I₀

β角较小，可以得到：

式中，I₀为检测光光强，为已知量，I₁-I₂可由差分光电探测器直接输出信号。

所述的步骤三包括由式(1)、(2)、(3)、(4)可知

差分光电探测器输出信号里包含核自旋进动频率，采用频率计提取差分光电探测器输出信号，即可获得核自旋进动信息。

本发明的有益效果在于：一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其主要优势在于核自旋进动产生磁场，能够被电子自旋感受而引起电子自旋进动。因此，可以通过电子自旋构造原子磁强计，测量核自旋的进动磁场从而得到核自旋的进动频率信息。同时，在核磁共振陀螺中，电子自旋与核自旋被混合于同一个原子气室内，电子自旋与核自旋的耦合会使电子自旋感受到的核自旋进动磁场增强，从而提高对核自旋进动频率信息的检测能力。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，包括下述步骤：

步骤一：核自旋进动产生磁场；

一束驱动激光垂直射入原子气室的一个面，定义其入射方向为Z轴正向，用于极化碱金属原子的电子自旋，将光子角动量传递给电子自旋，使电子自旋的极化率达到P。极化的电子自旋将角动量传递给核自旋，实现惰性气体核自旋的极化，极化率达到P_n。

惰性气体核自旋被极化后具有宏观指向，产生磁矩，电子自旋与核自旋被混合于同一个原子气室内，电子自旋与核自旋的耦合会使电子自旋感受到的核自旋进动磁场增强，碱金属电子自旋感受到的核自旋进动磁场强度为：

式中，κ₀为自旋交换增大系数，μ₀为真空磁导率，常数；M为核自旋磁化强度，μ_Xe为核子磁矩，n_Xe为惰性气体原子密度，P_n为核自旋极化率。

步骤二：电子自旋构造原子磁强计检测核自旋进动磁场

一束检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，定义其入射方向为X轴正向；根据右手法则定义Y轴正向，建立XYZ直角坐标系。核自旋进动磁场在Y轴上投影By为

式中，ω为核自旋进动频率，待测量；θ为核自旋进动张开的角度，为已知量；t为时间。

电子自旋构造的原子磁强计检测核自旋进动磁场在Y轴上投影By。

其中，所述原子磁强计检测核自旋进动磁场的具体方式为：一束驱动激光垂直射入原子气室的一个面，用于极化碱金属原子的电子自旋，使电子自旋的极化率达到P，具有沿Z轴的宏观指向；在Y轴方向施加磁场By使电子自旋宏观指向发生进动偏转角β，一束检测激光检测偏转角β。

所述的进动偏转角β与施加磁场By满足如下关系：

式中，l为检测光通过原子气室长度，c为光的传播速度3×108m/s，re为电子半径2.82×10-15m，f为常数1/3，ν₁和ν₂分别为碱金属原子D1线和D2线的跃迁频率，

n为碱金属原子饱和蒸气压密度，与温度有关，可用下式表示：

A和B是与碱金属原子有关的常数。

所述的进动偏转角β测量方法，采用差分偏振法检测偏转角。其具体实施途径如下：检测光经过原子气室以后，被一个线偏振分束器分为强度相同的两束光，其强度分别为：

I₁＝I₀·cos²(β-π/4)

I₂＝I₀·sin²(β-π/4)

对I₁与I₂进行差分与求和计算，可以分别得到：

I₁-I₂＝I₀·cos[2(β-π/4)]＝I₀·sin2β

I₁+I₂＝I₀

β角较小，可以得到：

式中，I₀为检测光光强，为已知量，I₁-I₂可由差分光电探测器直接输出信号。

步骤三：反演核自旋进动信息

由式(1)、(2)、(3)、(4)可知

可以看出，差分光电探测器输出信号里包含核自旋进动频率。

采用频率计提取差分光电探测器输出信号，即可获得核自旋进动信息。

Claims (7)

1.一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其特征在于：它包括下述步骤：

步骤一：核自旋进动产生磁场；

步骤二：电子自旋构造原子磁强计检测核自旋进动磁场；

步骤三：反演核自旋进动信息。

2.如权利要求1所述的一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其特征在于：所述的步骤一包括一束驱动激光垂直射入原子气室的一个面，定义其入射方向为Z轴正向，用于极化碱金属原子的电子自旋，将光子角动量传递给电子自旋，使电子自旋的极化率达到P，极化的电子自旋将角动量传递给核自旋，实现惰性气体核自旋的极化，极化率达到P_n，惰性气体核自旋被极化后具有宏观指向，产生磁矩，电子自旋与核自旋被混合于同一个原子气室内，电子自旋与核自旋的耦合会使电子自旋感受到的核自旋进动磁场增强，碱金属电子自旋感受到的核自旋进动磁场强度为：

式中，κ₀为自旋交换增大系数，μ₀为真空磁导率，常数；M为核自旋磁化强度，μ_Xe为核子磁矩，n_Xe为惰性气体原子密度，P_n为核自旋极化率。

3.如权利要求1所述的一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其特征在于：所述的步骤二包括一束检测激光从驱动激光入射面的邻面垂直入射原子气室，定义其入射方向为X轴正向；根据右手法则定义Y轴正向，建立XYZ直角坐标系，核自旋进动磁场在Y轴上投影By为

式中，ω为核自旋进动频率，待测量；θ为核自旋进动张开的角度，为已知量；t为时间，电子自旋构造的原子磁强计检测核自旋进动磁场在Y轴上投影By。

4.如权利要求3所述的一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其特征在于：所述的步骤二还包括所述原子磁强计检测核自旋进动磁场的具体方式为：一束驱动激光垂直射入原子气室的一个面，用于极化碱金属原子的电子自旋，使电子自旋的极化率达到P，具有沿Z轴的宏观指向；在Y轴方向施加磁场By使电子自旋宏观指向发生进动偏转角β，一束检测激光检测偏转角β，

所述的进动偏转角β与施加磁场By满足如下关系：

式中，l为检测光通过原子气室长度，c为光的传播速度3×10⁸m/s，re为电子半径2.82×10^-15m，f为常数1/3，ν₁和ν₂分别为碱金属原子D1线和D2线的跃迁频率，

n为碱金属原子饱和蒸气压密度，与温度有关，可用下式表示：

A和B是与碱金属原子有关的常数，

所述的进动偏转角β测量方法，采用差分偏振法检测偏转角，其具体实施途径如下：检测光经过原子气室以后，被一个线偏振分束器分为强度相同的两束光，其强度分别为：

I₁＝I₀·cos²(β-π/4)

I₂＝I₀·sin²(β-π/4)

对I₁与I₂进行差分与求和计算，可以分别得到：

I₁-I₂＝I₀·cos[2(β-π/4)]＝I₀·sin2β

I₁+I₂＝I₀

β角较小，可以得到：

式中，I₀为检测光光强，为已知量，I₁-I₂可由差分光电探测器直接输出信号。

5.如权利要求1所述的一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其特征在于：所述的步骤三包括由式(1)、(2)、(3)、(4)可知

差分光电探测器输出信号里包含核自旋进动频率，采用频率计提取差分光电探测器输出信号，即可获得核自旋进动信息。

6.如权利要求2所述的一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其特征在于：所述的步骤三包括由式(1)、(2)、(3)、(4)可知

差分光电探测器输出信号里包含核自旋进动频率，采用频率计提取差分光电探测器输出信号，即可获得核自旋进动信息。

7.如权利要求3所述的一种基于电子自旋的高灵敏核自旋进动检测方法，其特征在于：所述的步骤三包括由式(1)、(2)、(3)、(4)可知

差分光电探测器输出信号里包含核自旋进动频率，采用频率计提取差分光电探测器输出信号，即可获得核自旋进动信息。