CN111562030A - 原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置，包括：光源系统，其用于提供极化碱金属原子及测量碱金属原子气室内温度的光，包括光源发射器、起偏器、
波片；碱金属原子气室；长周期光纤光栅，其设置在碱金属原子气室内部；无磁电加热膜，其贴附碱金属原子气室的外壁设置；信号检测系统，其用于检测表征碱金属原子气室的外部磁场及碱金属原子气室的内部温度的光信号，包括光电探测器、前置放大器、锁相放大器、信号处理器。本发明还公开了原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测方法。本发明实现碱金属原子温度的原位测量，不引入任何磁场噪声，测量精度很高，且不影响原子磁力计的正常工作，有利于原子磁力计的灵敏度提升。
Description
技术领域
本发明涉及量子精密测量技术领域，具体是一种原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置及方法。
背景技术
在高灵敏度原子磁力计中，需要将碱金属原子气室加热到一定的温度，才能在低磁场环境下实现自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)状态。碱金属原子气室的温度决定了其中的碱金属原子数密度，因此，原子磁力计的性能与碱金属原子气室的温度密切相关。目前一般采用高精度的热敏电阻来进行温度的测量，但是热敏电阻会在碱金属原子气室中引入磁场噪声，同时，热敏电阻无法集成到碱金属原子气室内部，因此，难以实现碱金属原子温度的原位测量。磁场噪声的引入以及无法实现原位测量的缺点限制了原子磁力计的灵敏度。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置及方法，其实现碱金属原子温度的原位测量，不引入任何磁场噪声，且测量精度很高，且不影响原子磁力计的正常工作，有利于原子磁力计的灵敏度提升。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置，包括：
光源系统，其用于提供极化碱金属原子及测量碱金属原子气室的内部温度的光，包括光源发射器、起偏器、
波片；
碱金属原子气室，其内部封装有碱金属原子、惰性气体、缓冲气体；
长周期光纤光栅，其设置在所述碱金属原子气室内部；
无磁电加热膜，其贴附所述碱金属原子气室的顶面和底面设置；
信号检测系统，其用于检测表征碱金属原子气室的外部磁场及碱金属原子气室的内部温度的光信号，包括光电探测器、前置放大器、锁相放大器、信号处理器；
其中，所述光源发射器发射出的光依次经过起偏器、
波片，然后正对所述长周期光纤光栅进入所述碱金属原子气室，最后依次经过光电探测器、前置放大器、锁相放大器到达信号处理器。
优选的是，所述长周期光纤光栅的透射波长与碱金属原子的吸收波长相差至少5nm。
优选的是，所述长周期光纤光栅的光栅长度为0.3～3cm。
优选的是，所述长周期光纤光栅处于所述碱金属原子气室的正中央。
优选的是，所述无磁电加热膜将碱金属原子气室内的温度加热至120℃～200℃。
优选的是，所述碱金属原子选自铷、铯、钾中的一种。
本发明还提供一种原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测方法，包括以下步骤：
步骤一、无磁电加热膜加热至碱金属原子气室的温度处于120℃～200℃；
步骤二、光源发射器的光经过起偏器后变成线偏振光，线偏振光入射到四分之一波片后成为圆偏振光，圆偏振光正对长周期光纤光栅进入碱金属原子气室，光电探测器接收来自碱金属原子气室的光信号，经过前置放大器放大后，利用锁相放大器分离提取目标信号，信号处理器对目标信号进行处理，得到碱金属原子气室外的磁场以及碱金属原子气室内的温度。
优选的是，所述目标信号包括碱金属原子的拉莫尔进动信号和经过长周期光纤光栅测量的温度信号，根据所述拉莫尔进动信号得到所述碱金属原子气室的外部磁场。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明利用的长周期光纤光栅可以集成于碱金属原子气室中，实现碱金属原子温度的原位测量，即得到碱金属原子气室内的温度。相比于传统的原子磁力计，本发明利用的长周期光纤光栅与碱金属原子气室利用同一束激光，在不引入外部器件的情况下实现碱金属原子气室温度和外部磁场的测量；且长周期光纤光栅由熔融石英制成，不引入任何磁场噪声，且测量精度很高，有利于原子磁力计的灵敏度提升。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的其中一个技术方案的所述检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供了一种原子磁力计碱金属原子气室4温度原位检测装置，包括：
光源系统，其用于提供极化碱金属原子及测量碱金属原子气室的内部温度的光，包括光源发射器1、起偏器2、
波片3；
碱金属原子气室4，其内部封装有碱金属原子、惰性气体、缓冲气体；
长周期光纤光栅5，其设置在所述碱金属原子气室内部；
无磁电加热膜6，其贴附所述碱金属原子气室的外壁设置；
信号检测系统，其用于检测表征碱金属原子气室的外部磁场及碱金属原子气室的内部温度的光信号，包括光电探测器7、前置放大器8、锁相放大器9、信号处理器10；
其中，所述光源发射器1发射出的光依次经过起偏器2、
波片3，然后正对所述长周期光纤光栅5进入所述碱金属原子气室4，最后依次经过光电探测器7、前置放大器8、锁相放大器9到达信号处理器10。
本发明中无磁电加热膜6采用现有技术中的无磁电加热膜，一般通过线圈的设置相互抵消通电时产生的磁场。无磁电加热膜6可以为碱金属原子气室提供高温环境，不会对碱金属原子气室4产生磁场噪声干扰。无磁电加热膜6优选环绕碱金属原子气室的外壁贴附以包裹碱金属原子气室，确保碱金属原子气室的内部温度分布均匀。光源发射器1可以是用来发射激光的激光器。本发明中的长周期光纤光栅通过现有的技术手段可以集成到碱金属原子气室内。信号检测系统检测的碱金属原子气室的外部磁场主要是碱金属原子气室的外部周围的磁场。
本发明所述的检测装置在使用时，光源发射器1的光经过起偏器2后变成线偏振光，线偏振光入射到四分之一波片3后成为圆偏振光，圆偏振光正对长周期光纤光栅5进入碱金属原子气室4，无磁电加热膜6加热使碱金属原子气室4的温度升高，一般为120℃～200℃，使得碱金属原子气室4中的碱金属原子处于无自旋交换弛豫(Spin-ExchangeRelaxation Free,SERF)态，圆偏振光进入碱金属原子气室4内的同时耦合进入长周期光纤光栅5中，当碱金属原子气室4的温度变化时，不仅使得长周期光纤光栅5的折射率以及碱金属原子气室4内环境的折射率发生变化，而且使光纤光栅的周期也发生变化，从而导致长周期光纤光栅5的透射峰的波长发生移动。根据长周期光纤光栅5透射峰的波长变化即可计算碱金属原子气室4内的温度。光电探测器7接收来自碱金属原子气室4的光信号，该光信号包含了碱金属原子的拉莫尔进动信号以及经过长周期光纤光栅5的温度信号，经过前置放大器8放大后，利用锁相放大器9分离提取目标信号(目标信号就是碱金属原子的拉莫尔进动信号以及经过长周期光纤光栅5的温度信号)，信号处理器10对目标信号进行处理，得到碱金属原子气室4外的磁场以及碱金属原子气室4内的温度，实现了对碱金属原子气室4外的磁场的测量，以及对碱金属原子气室4内的温度的原位测量。
本发明利用的长周期光纤光栅5可以集成于碱金属原子气室4中，实现碱金属原子温度的原位测量，即得到碱金属原子气室4内的温度。相比于传统的原子磁力计，本发明利用的长周期光纤光栅5与碱金属原子气室4利用同一束激光，在不引入外部器件的情况下实现碱金属原子气室4温度和外部磁场的测量；且长周期光纤光栅5由熔融石英制成，不引入任何磁场噪声，且测量精度很高，有利于原子磁力计的灵敏度提升。
在另一技术方案中，所述长周期光纤光栅5的透射波长与碱金属原子的吸收波长相差至少5nm，以使进入碱金属原子气室4内光发生不一样的波动变化，便于后续信号检测系统进行检测及区分。
在另一技术方案中，所述长周期光纤光栅5的光栅长度为0.3～3cm。
在另一技术方案中，所述长周期光纤光栅5处于所述碱金属原子气室的正中央，测得的温度最能反应碱金属原子气室内的温度。
在另一技术方案中，所述目标信号包括碱金属原子的拉莫尔进动信号和经过长周期光纤光栅5的温度信号，通过碱金属原子的拉莫尔进动信号可以获得碱金属原子气室4外部的磁场的变化，经过长周期光纤光栅5的温度信号可以获得碱金属原子气室4内的温度的变化。
在另一技术方案中，所述无磁电加热膜6将碱金属原子气室4内的温度加热至120℃～200℃。
在另一技术方案中，所述碱金属原子选自铷、铯、钾中的一种。
本发明还提供一种原子磁力计碱金属原子气室4温度原位检测方法，包括以下步骤：
步骤一、无磁电加热膜6加热至碱金属原子气室4的温度处于120℃～200℃；
步骤二、光源发射器1的光经过起偏器2后变成线偏振光，线偏振光入射到四分之一波片3后成为圆偏振光，圆偏振光正对长周期光纤光栅5进入碱金属原子气室4，光电探测器7接收来自碱金属原子气室4的光信号，经过前置放大器8放大后，利用锁相放大器9分离提取目标信号，信号处理器10对目标信号进行处理，得到碱金属原子气室4外的磁场以及碱金属原子气室4内的温度。
在另一技术方案中，所述目标信号包括碱金属原子的拉莫尔进动信号和经过长周期光纤光栅5的温度信号，根据所述拉莫尔进动信号得到所述碱金属原子气室4的外部磁场。
本发明中无磁电加热膜6采用现有技术中的无磁电加热膜，一般通过线圈的设置相互抵消通电时产生的磁场。无磁电加热膜6可以为碱金属原子气室4提供高温环境，不会对碱金属原子气室4产生磁场噪声干扰。光源发射器1可以是用来发射激光的激光器。
光源发射器1的光经过起偏器2后变成线偏振光，线偏振光入射到四分之一波片3后成为圆偏振光，圆偏振光正对长周期光纤光栅5进入碱金属原子气室4，无磁电加热膜6加热使碱金属原子气室4的温度升高至120℃～200℃，使得碱金属原子气室4中的碱金属原子处于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)态，圆偏振光进入碱金属原子气室4内的同时耦合进入长周期光纤光栅5中，当碱金属原子气室4的温度变化时，不仅使得长周期光纤光栅5的折射率以及碱金属原子气室4内环境的折射率发生变化，而且使光纤光栅的周期也发生变化，从而导致长周期光纤光栅5的透射峰的波长发生移动。根据长周期光纤光栅5透射峰的波长变化即可计算碱金属原子气室4内的温度。光电探测器7接收来自碱金属原子气室4的光信号，该光信号包含了碱金属原子的拉莫尔进动信号以及经过长周期光纤光栅5的温度信号，经过前置放大器8放大后，利用锁相放大器9分离提取目标信号(目标信号就是碱金属原子的拉莫尔进动信号以及经过长周期光纤光栅5的温度信号)，信号处理器10对目标信号进行处理，得到碱金属原子气室4外的磁场以及碱金属原子气室4内的温度，实现了对碱金属原子气室4外的磁场的测量，以及对碱金属原子气室4内的温度的原位测量。
本发明利用的长周期光纤光栅5可以集成于碱金属原子气室4中，实现碱金属原子温度的原位测量，即得到碱金属原子气室4内的温度。相比于传统的原子磁力计，本发明利用的长周期光纤光栅5与碱金属原子气室4利用同一束激光，在不引入外部器件的情况下实现碱金属原子气室4温度和外部磁场的测量；且长周期光纤光栅5由熔融石英制成，不引入任何磁场噪声，且测量精度很高，有利于原子磁力计的灵敏度提升。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置，其特征在于，包括：
光源系统，其用于提供极化碱金属原子及测量碱金属原子气室的内部温度的光，包括光源发射器、起偏器、
波片；
碱金属原子气室，其内部封装有碱金属原子、惰性气体、缓冲气体；
长周期光纤光栅，其设置在所述碱金属原子气室内部；
无磁电加热膜，其贴附所述碱金属原子气室的外壁设置；
信号检测系统，其用于检测表征碱金属原子气室的外部磁场及碱金属原子气室的内部温度的光信号，包括光电探测器、前置放大器、锁相放大器、信号处理器；
其中，所述光源发射器发射出的光依次经过起偏器、
波片，然后正对所述长周期光纤光栅进入所述碱金属原子气室，最后依次经过光电探测器、前置放大器、锁相放大器到达信号处理器。
2.如权利要求1所述的原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置，其特征在于，所述长周期光纤光栅的透射波长与碱金属原子的吸收波长相差至少5nm。
3.如权利要求1所述的原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置，其特征在于，所述长周期光纤光栅的光栅长度为0.3～3cm。
4.如权利要求1所述的原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置，其特征在于，所述长周期光纤光栅处于所述碱金属原子气室的正中央。
5.如权利要求1所述的原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置，其特征在于，所述无磁电加热膜将碱金属原子气室内的温度加热至120℃～200℃。
6.如权利要求1所述的原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置，其特征在于，所述碱金属原子选自铷、铯、钾中的一种。
7.原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的检测装置进行检测，包括以下步骤：
步骤一、无磁电加热膜加热至碱金属原子气室的温度处于120℃～200℃；
步骤二、光源发射器的光经过起偏器后变成线偏振光，线偏振光入射到四分之一波片后成为圆偏振光，圆偏振光正对长周期光纤光栅进入碱金属原子气室，光电探测器接收来自碱金属原子气室的光信号，经过前置放大器放大后，利用锁相放大器分离提取目标信号，信号处理器对目标信号进行处理，得到碱金属原子气室外的磁场以及碱金属原子气室内的温度。
8.如权利要求7所述的原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测方法，其特征在于，所述目标信号包括碱金属原子的拉莫尔进动信号和经过长周期光纤光栅测量的温度信号，根据所述拉莫尔进动信号得到所述碱金属原子气室的外部磁场。
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