CN111596237B - 原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法 - Google Patents

原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法，其中原子磁力计包括光源、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、无磁电加热膜、光学微腔、微纳光纤、分光棱镜、光谱仪和信号处理电路。光学微腔与微纳光纤相接触并且集成在所述碱金属原子气室内。通过测量光学微腔的谐振波长及波长变化量，计算出碱金属原子气室中的压强。该方法可以在碱金属原子气室的输出信号中同时提取原子磁力计的信号及碱金属原子气室的压强信号。能够在原子磁力计正常工作的同时进行碱金属原子气室压强的检测，并且具有较高的测量精度。同时，光学微腔不引入任何磁场噪声。该方法也可以用在其他利用碱金属原子气室的量子精密测量系统中。

Description

原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法
技术领域
本发明涉及量子精密测量技术领域，特别涉及原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法。
背景技术
在高灵敏度原子磁力计中，为了减小碱金属原子的弛豫，通常需要在碱金属原子气室中冲入一定量的缓冲气体，以此来降低电子自旋破坏弛豫。同时，为了避免荧光效应对电子抽运产生影响，在碱金属原子气室中充入淬灭气体，用于捕获碱金属原子最外层电子退极化过程中辐射的光子，以避免荧光效应对电子抽运产生影响。缓冲气体与淬灭气体的气压对于碱金属原子的弛豫率和极化率产生影响，进而影响原子磁力计的灵敏度。因此，需要将碱金属原子气室的压强作为气室的重要参数进行检测。目前常用光谱吸收法进行碱金属原子吸收谱线的压力展宽测量，从而拟合得到碱金属原子气室的压强，但是这种方法的误差较大，难以精确测量碱金属原子气室的压强。同时，这种方法需要对光源进行调谐，在压力展宽的范围内进行测量，因此不能在原子磁力计工作的同时进行测量，降低了测量效率。
为了在不影响高灵敏度原子磁力计正常工作的同时实现碱金属原子气室压强的高精度检测，需要对现有技术的原子磁力计进行改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法，能在原子磁力计正常工作的同时进行碱金属原子气室压强的高精度检测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明公开一种原子磁力计，包括光源、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、无磁电加热膜、光学微腔、微纳光纤、分光棱镜、光谱仪、光电探测器和信号处理电路；所述的无磁电加热膜设置在碱金属原子气室外表面，用于给碱金属原子气室加热；所述的光学微腔与微纳光纤相接触并且集成在所述碱金属原子气室内；光源发出的光依次经过起偏器、四分之一波片后入射到加热后的碱金属原子气室中，同时入射进微纳光纤的一端，在微纳光纤中传播的光耦合到光学微腔，然后通过微纳光纤的另一端射出后入射到分光棱镜；从碱金属原子气室射出的光也入射到分光棱镜；分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，从而计算出碱金属原子气室中的压强；另一束光入射到光电探测器，经光电探测器、信号处理电路处理后得到原子磁力计的外部磁场。
进一步地，使用无磁电加热膜将碱金属原子气室加热至120℃～200℃。
进一步地，所述的光学微腔与微纳光纤的材质为熔融石英，并且光学微腔与微纳光纤通过低折射率的聚合物封装。
进一步地，所述的光学微腔的直径不超过500微米。
进一步地，光学微腔的谐振波长与碱金属原子气室内碱金属原子的吸收波长不相同，使得在测量碱金属原子气室的压强时，光学微腔的谐振波长不与碱金属原子的吸收波长重合。
进一步地，微纳光纤的腰区直径为1微米～10微米。
进一步地，碱金属原子气室中的压强的计算公式为：
Figure BDA0002517708520000031
其中：λ为光学微腔的谐振波长，Δλ为波长的变化量，P为碱金属原子气室内的压强，G和ν为光学微腔的材质的剪切模量和泊松比，n为光学微腔的材质的折射率，C1和C2为光学微腔的材质的弹光系数。
第二方面，本发明公开一种原子磁力计的碱金属原子气室压强的原位检测方法，包括以下步骤：
步骤S1、光源发出的光经过起偏器后变成线偏振光；
步骤S2、线偏振光入射到四分之一波片后成为圆偏振光；
步骤S3、圆偏振光入射到加热后的碱金属原子气室中，沿着碱金属原子气室中的微纳光纤传播耦合到光学微腔中，从微纳光纤另一端射出的光及从碱金属原子气室射出的光入射到分光棱镜；
步骤S4、分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，另一束入射到光电探测器，经光电转换、信号处理后得到原子磁力计所处的外部环境的磁场。
步骤S5、根据光学微腔的谐振波长及波长变化量计算出碱金属原子气室中的压强。
进一步地，所述的步骤S5中碱金属原子气室中的压强的计算公式为：
Figure BDA0002517708520000032
其中：λ为光学微腔的谐振波长，Δλ为波长的变化量，P为碱金属原子气室内的压强，G和ν为光学微腔的材质的剪切模量和泊松比，n为光学微腔的材质的折射率，C1和C2为光学微腔的材质的弹光系数。
本发明的原子磁力计，把微纳光纤和光学微腔集成到碱金属原子气室中，通过测量光学微腔的谐波波长及波长变化量计算得到碱金属原子气室的压强。在原子磁力计工作的同时，不借助任何外界磁场就能实现碱金属原子气室压强的原位检测。
本发明的微纳光纤和光学微腔由熔融石英制成，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。
本发明的光学微腔与原子磁力计本身所利用同一束光，在不引入外部器件的情况下实现碱金属原子气室压强和外部磁场的测量。
附图说明
图1为本发明的原子磁力计的结构原理图。
附图标记说明如下：
1：光源,2：起偏器，3：四分之一波片，4：碱金属原子气室，5：无磁电加热膜，6：光学微腔，7：微纳光纤，8：分光棱镜，9：光谱仪，10：光电探测器，11：前置放大器，12：锁相放大器，13：信号采集处理电路。
具体实施例
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本发明的原子磁力计的结构原理图如图1所示。其中包括光源1、起偏器2、四分之一波片3、碱金属原子气室4、无磁电加热膜5、光学微腔6、微纳光纤7、分光棱镜8、光谱仪9、光电探测器10、前置放大器11、锁相放大器12、信号采集处理电路13。无磁电加热膜5设置在碱金属原子气室4的外表面，用于给碱金属原子气室4加热，优选加热至120℃～200℃。光学微腔6和微纳光纤7集成在碱金属原子气室4内。光源1发出的光依次经过起偏器2、四分之一波片3后入射到加热后的碱金属原子气室4，同时入射进微纳光纤7的一端，在微纳光纤7中传播的光耦合到光学微腔6，然后通过微纳光纤7的另一端射出后入射到分光棱镜8。从碱金属原子气室4射出的光也入射到分光棱镜8。分光棱镜8将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪9中进行光学微腔6的谐振波长及波长变换量的检测，从而根据光学微腔6的谐振波长及波长变换量计算出碱金属原子气室4中的压强。另一束依次经过光电探测器10、前置放大器11、锁相放大器12、信号采集处理电路13后测得的磁场大小。
进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，光学微腔6与耦合用微纳光纤7接触，并通过低折射率(本发明将折射率小于1.4的称之为低折射率)的聚合物封装。微纳光纤7主要起耦合作用，将其中传播的光耦合到光学微腔6。光学微腔6和微纳光纤7的材质为熔融石英，不带有任何磁性，所以碱金属原子气室4内为极低磁场环境。
进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，光学微腔6为微瓶或微球谐振腔，其直径不超过500微米，太大会占据太多碱金属原子气室的空间。
进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，光学微腔6的谐振波长与碱金属原子气室4内碱金属原子的吸收波长不相同，使得在测量碱金属原子气室的压强时，光学微腔6的谐振波长不与碱金属原子的吸收波长重合。若谐振波长与碱金属原子吸收波长重合则会导致两个波长难以区分，影响谐振波长的检测。
进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，微纳光纤7的腰区直径为1微米～10微米。在这个直径下微纳光纤中的光才能耦合到光学微腔中，并且保持稳定。
碱金属原子气室4的压强的计算公式为：
Figure BDA0002517708520000061
其中λ为光学微腔6的谐振波长，Δλ为波长的变化量，P为碱金属原子气室4内的压强，G和ν为光学微腔6的材质的剪切模量和泊松比，n为光学微腔6的材质的折射率，C1和C2为光学微腔6的材质的弹光系数。其中G、ν、n、C1、C2为已知数据，λ和Δλ可由光谱仪9测量得到，将上述已知数据和测量得到的数据代入公式(1)中即可计算得到碱金属原子气室4的压强P。
本发明中前置放大器11、锁相放大器12、信号采集处理电路13构成了信号处理电路，该信号处理电路和光电探测器10为原子磁力计测量磁场的常用的现有技术，不是本发明的重点，在此不详细描述这四个部分的详细电路结构和工作原理。在此只是为了说明本发明的原子磁力计在正常工作的同时，也可以对碱金属原子气室的压强进行测量。本发明的重点在于碱金属原子气室4的结构以及其中压强测量方法，原子磁力计测量磁场大小的方法和电路结构不应作为对本发明的限制。
本发明的原子磁力计的工作原理如下：
光源1发出的光经过起偏器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。碱金属气室由无磁电加热膜5加热至120℃～200℃并处于极低磁场环境下。圆偏振光入射到加热到高温并处于极低磁场环境下的碱金属原子气室4中，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。同时，光入射到集成于碱金属原子气室4中的微纳光纤7中，微纳光纤7中传播的光耦合到光学微腔6。光学微腔6的谐振波长会随着碱金属原子气室4中的压强而变化。如果能测得光学微腔6的谐振波长及波长变化量，从而进一步通过光学微腔6的谐振波长与碱金属原子气室4的压强的关系式计算得到碱金属原子气室4的压强。微纳光纤7射出的光入射到分光棱镜8上，从碱金属原子气室射出的光也入射到分光棱镜，分光棱镜8将接收到的光分为两束，一束入射到光谱仪9中进行光学微腔6的谐振波长的探测，从而计算出碱金属原子气室4中的压强。另一束光入射到光电探测器10上转化为电信号，前置放大器11用来将光电探测器10输出的电信号进行放大，然后通过锁相放大器12实时跟踪输出光强的变化，信号采集处理电路13基于提前标定好的光强-磁场转化系数，将锁相放大器12输出的电信号转化为原子磁力计测得的磁场的大小。
本发明的原子磁力计的碱金属原子气室压强的原位检测方法，包括以下步骤：
步骤S1、光源发出的光经过起偏器后变成线偏振光。
步骤S2、线偏振光入射到四分之一波片后成为圆偏振光。
步骤S3、圆偏振光入射到加热后的碱金属原子气室中，沿着碱金属原子气室中的微纳光纤传播耦合到光学微腔中，从微纳光纤另一端射出的光及从碱金属原子气室射出的光入射到分光棱镜。
优选的，使用无磁电加热膜给碱金属原子气室加热至120℃～200℃，目的是为了使碱金属原子气室中的碱金属原子处于无自旋交换弛豫态。
碱金属原子气室压强的变化会导致光学微腔的谐振波长变化。因此如果可以测得光学微腔的谐振波长即可根据其与碱金属原子气室压强的关系计算得出碱金属原子气室压强的大小。
步骤S4、分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，另一束入射到原子磁力计的光电探测器，经光电转换、信号处理后测得原子磁力计所处的环境的磁场。
步骤S5、根据光学微腔的谐振波长及波长变化量计算出碱金属原子气室中的压强。
计算公式为上述公式(1)。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.原子磁力计，其特征在于，包括光源、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、无磁电加热膜、光学微腔、微纳光纤、分光棱镜、光谱仪、光电探测器和信号处理电路；所述的无磁电加热膜设置在碱金属原子气室外表面，用于给碱金属原子气室加热；所述的光学微腔与微纳光纤相接触并且集成在所述碱金属原子气室内；光源发出的光依次经过起偏器、四分之一波片后入射到加热后的碱金属原子气室中和微纳光纤的一端，在微纳光纤中传播的光耦合到光学微腔，然后通过微纳光纤的另一端射出后入射到分光棱镜；从碱金属原子气室射出的光也入射到分光棱镜；分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，计算出碱金属原子气室中的压强；另一束光入射到光电探测器，经光电探测器、信号处理电路处理后得到原子磁力计的外部磁场。
2.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，使用无磁电加热膜将碱金属原子气室加热至120℃～200℃。
3.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，所述的光学微腔与微纳光纤的材质为熔融石英，并且光学微腔与微纳光纤通过低折射率的聚合物封装。
4.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，所述的光学微腔的直径不超过500微米。
5.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，光学微腔的谐振波长与碱金属原子气室内碱金属原子的吸收波长不相同，使得在测量碱金属原子气室的压强时，光学微腔的谐振波长不与碱金属原子的吸收波长重合。
6.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，微纳光纤的腰区直径为1微米～10微米。
7.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，碱金属原子气室中的压强的计算公式为：
Figure FDA0002746222910000011
其中：λ为光学微腔的谐振波长，Δλ为波长的变化量，P为碱金属原子气室内的压强，G和ν为光学微腔的材质的剪切模量和泊松比，n为光学微腔的材质的折射率，C1和C2为光学微腔的材质的弹光系数。
8.原子磁力计的碱金属原子气室压强的原位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、光源发出的光经过起偏器后变成线偏振光；
步骤S2、线偏振光入射到四分之一波片后成为圆偏振光；
步骤S3、圆偏振光入射到加热后的碱金属原子气室中，沿着碱金属原子气室中的微纳光纤传播后射出的光及从碱金属原子气室射出的光入射到分光棱镜；同时在微纳光纤中传播的光耦合到光学微腔；
步骤S4、分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，另一束入射到光电探测器，经光电转换、信号处理后得到原子磁力计所处的外部环境的磁场；
步骤S5、根据光学微腔的谐振波长及波长变化量计算出碱金属原子气室中的压强。
9.根据权利要求8所述的原子磁力计的碱金属原子气室压强的原位检测方法，其特征在于，所述的步骤S5中碱金属原子气室中的压强的计算公式为：
Figure FDA0002746222910000021
其中：λ为光学微腔的谐振波长，Δλ为波长的变化量，P为碱金属原子气室内的压强，G和ν为光学微腔的材质的剪切模量和泊松比，n为光学微腔的材质的折射率，C1和C2为光学微腔的材质的弹光系数。
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Application publication date: 20200828

Assignee: Beijing Weici Medical Technology Co.,Ltd.

Assignor: Beijing Weici Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021980006960

Denomination of invention: Atomic magnetometer and its in-situ detection method of alkali metal atomic gas chamber pressure

Granted publication date: 20201208

License type: Common License

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