CN112180304B - 一种基于复合气室的极弱磁测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于复合气室的极弱磁测量装置，将基于无自旋交换弛豫的极弱磁测量系统的碱金属气室与样品通道进行整合设计，并对复合气室的外接口和内通道分别进行雾面处理和遮光膜蒸镀，最终配合差分检测光路实现极弱磁测量。本发明极大地缩减了核心敏感区域距离被测物的距离，优化了系统结构的同时提高了环境适应性，有利于拓展基于无自旋交换弛豫极弱磁测量相关技术在生物医学、材料科学等领域的应用。

Description

一种基于复合气室的极弱磁测量装置
技术领域
本发明涉及极弱磁测量领域，具体涉及一种基于复合气室的极弱磁测量装置。
背景技术
极弱磁测量在基础物理、生命科学、材料科学等领域具有重要的科学意义和应用价值，随着量子光学技术和磁屏蔽技术的不断发展，基于无自旋交换弛豫效应的极弱磁测量系统已成为相关研究关注的热点和重点。目前，此类极弱磁测量系统多是在磁屏蔽环境下，在碱金属气室外对待测物的极弱磁信号进行测量，为了得到更好的测量信噪比，激发和检测光路一般聚焦于气室中心，进而使得核心敏感区域距待测物有一定距离，这使得本就微弱的磁信号强度随距离的增大而进一步衰减。同时，由于基于无自旋交换弛豫效应的极弱磁测量系统依赖于屏蔽筒、线圈、烤箱等多层嵌套装置才能实现测量功能，进而引起了测量系统结构复杂、气室周围空间狭小、待测物固定困难等问题，难以满足多种待测物的测试需求。因此，为了解决在测试应用中遇到的实际问题，考虑将测试所需的样品通道与碱金属气室相结合组成复合气室，并利用经典的差分检测光路系统形成适用于物态、液态等多种被测物的极弱磁测量系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于复合气室的极弱磁测量装置，具体技术方案如下：
一种基于复合气室的极弱磁测量装置，该装置包括复合气室、烤箱、线圈、磁屏蔽筒、样品输送管，所述的复合气室位于所述的烤箱内，所述的线圈环绕在所述的烤箱的外部周围；所述的复合气室内设置有贯通的气室内通道，所述的气室内通道两端均与所述的样品输送管连接，用于输送样品，所述的复合气室内部充满碱金属气体、淬灭气体和缓冲气体；
该装置还包括由激发激光器、第一起偏器、第一1/2波片和1/4波片依次布置组成的激发光路，以及由检测激光器、第二起偏器、第二1/2波片、沃拉斯通棱镜、差分探测器依次布置组成的检测光路；
所述的激发光路和检测光路相互垂直；
所述的激发激光器发出激发光，激发光依次经过第一起偏器、第一1/2波片和1/4波片后形成圆偏振光，并最终照射到复合气室内的碱金属气体并将其极化；
所述的检测激光器发出检测光，检测光经过第二起偏器后形成线偏振光，检测光经过复合气室过程中，由于受待测磁性样品磁信号的影响，检测光的线偏振角发生变化，之后检测光经过第二1/2波片的偏振角二倍作用和沃拉斯通棱镜偏振分束作用后，到达差分探测器，从而由检测光偏振角变化得到极弱磁测量结果。
进一步地，所述的复合气室内贯通的气室内通道的两端均设置气室外接口，所述的气室外接口外表面经过雾面处理，所述的气室内通道通过所述的气室外接口与样品输送管连接。
进一步地，所述的复合气室内贯通的气室内通道与内部气体接触的外表面镀有遮光膜，以避免样品输送管对光学信号产生干扰。
进一步地，整个测量装置全部采用无磁材料制成。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明综合考虑各器件的功能和工作需求，对复合气室和极弱磁测量系统的配合进行了合体设计，通过差分检测光路实现超高灵敏极弱磁测量。本发明极大地缩减了核心敏感区域距离被测物的距离，优化了系统结构的同时提高了环境适应性，有利于拓展基于无自旋交换弛豫极弱磁测量相关技术在生物医学、材料科学等领域的应用。
（2）本发明的复合式气室与样品通道结构紧凑，可与不同形态待测物实现配合，操作简单，环境适应性强。
（3）本发明的复合气室内通道外壁镀有遮光膜，能够有效降低杂散光对碱金属气体自旋状态的干扰且能有效保护待测物免受激光辐照。
附图说明
图1是本发明的整体装置示意图；
图2是本发明的复合气室左视图；
图3是本发明的复合气室左视图A-A面剖视图；
图4是本发明的复合气室正视图；
图5是本发明的装置某次测量样品极弱磁场的测试结果图；
图中，复合气室1、气室外接口2、气室内通道3、遮光膜4、激发光路5、检测光路6、烤箱7、线圈8、磁屏蔽筒9、样品输送管10、激发激光器11、第一起偏器12、第一1/2波片13、1/4波片14、检测激光器15、第二起偏器16、第二1/2波片17、沃拉斯通棱镜18、差分探测器19。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于复合气室的极弱磁测量装置，该装置包括复合气室1、烤箱7、线圈8、磁屏蔽筒9、样品输送管10，所述的复合气室1位于所述的烤箱7内，所述的线圈8环绕在所述的烤箱7的外部周围。
如图2和3所示，分别为复合气室1的左视图和A-A面剖视图，复合气室1内设置有贯通的气室内通道3，气室内通道3的两端均设置气室外接口2。气室外接口2外表面经过雾面处理。结合图1、图2和图3，气室内通道3通过气室外接口2与样品输送管10连接。气室内通道3两端均与样品输送管10连接，用于输送样品。复合气室1内部充满碱金属气体、淬灭气体和缓冲气体，碱金属气体是极弱磁场敏感源，淬灭气体用以防止激发态原子回落到基态时发出随机偏振光并降低退极退极化，缓冲气体可以减少碱金属气体与气室壁的碰撞进而降低碰撞弛豫率。如图3所示，复合气室1内贯通的气室内通道3与内部气体接触的外表面镀有遮光膜4，以避免样品输送管10对光学信号产生干扰。
如图1所示，该装置还包括由激发激光器11、第一起偏器12、第一1/2波片13和1/4波片14依次布置组成的激发光路5，以及由检测激光器15、第二起偏器16、第二1/2波片17、沃拉斯通棱镜18、差分探测器19依次布置组成的检测光路6。根据碱金属原子极化与检测原理，该装置的激发光路5和检测光路6相互垂直，如图1，2和4所示。所述的激发激光器11发出激发光，激发光依次经过第一起偏器12、第一1/2波片13和1/4波片14后形成圆偏振光，并最终照射到复合气室1内的碱金属气体并将其极化。经过上述激光光路对碱金属气体原子的高效极化之后，还需要检测光路6实现极弱磁信号的转化和读取。检测激光器15发出检测光，检测光经过第二起偏器16后形成线偏振光，检测光经过复合气室1过程中，由于受待测磁性样品磁信号的影响，检测光的线偏振角发生变化，之后检测光经过第二1/2波片17的偏振角二倍作用。之后根据沃拉斯通棱镜18偏振分束特性，根据不同的偏振方向将检测光分为两束，并通过差分探测器19得到两束光束差，后续通过上位机数据分析和处理即可由检测光偏振角变化得到极弱磁测量结果。
由于该装置对极弱磁信号极其敏感，整个测量装置全部采用无磁材料制成，尽可能降低系统部件带来的磁噪声。
如图1所示，启动烤箱7对复合气室1内的碱金属进行加热使其气化，温度根据所用碱金属气体种类决定，一般设置在150-200℃之间。激发激光由激发激光器11发出并经过激发光路5中各器件作用后到达复合气室1，对碱金属气体进行激发。同时，检测激光经检测激光器15发出并经过检测光路6中各器件作用后到达复合气室1，并将检测光光强信息传递到差分探测器19。在进行测量之前，对磁屏蔽筒9内进行消磁作业，将检测光输出补偿为零。在测量过程中，将待测样品通过样品输送管10送达复合气室1内部。经过激发光路5处理的线偏振光可以认为是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的叠加，又因为气室内的极化的碱金属原子具有圆双折射性，也就是对左旋和右旋圆偏振光的折射率不同，使得其在气室内传播速度不同，左旋和右旋圆偏振光从碱金属气室出射后合成的线偏振光会偏转一个角度，即产生光旋角。在待测样品磁场作用下，复合气室1的碱金属原子产生进动，此时检测光经过复合气室1后会产生一个极其微小的光旋角θ，线偏振光偏振面的旋转角与待测样品磁场大小成正比，通过探测光强的变化即可得到光旋角信息，即I=kI 0 θ，其中k为常数，I 0为初始光强，θ为偏振角。通过差分探测器19检测光强差获得待测样品磁场信号，从而实现该装置的极弱磁测量功能。通过磁屏蔽筒9隔绝外部磁场和烤箱7提供的高温环境的条件下，复合气室1中的碱金属气体将处于无自旋交换弛豫状态，在这种状态下气体自旋相干时间大幅延长，进而可以探测到最低10-15~10-18 T量级的极弱磁场。
图5为某次测量样品极弱磁场的测试结果，当样品以25 Hz频率经过复合气室时，测试结果可看到在25 Hz处有磁场功率谱密度约为几十fT/Hz1/2的尖峰。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于复合气室的极弱磁测量装置，其特征在于，该装置包括复合气室（1）、烤箱（7）、线圈（8）、磁屏蔽筒（9）、样品输送管（10），所述的复合气室（1）位于所述的烤箱（7）内，所述的线圈（8）环绕在所述的烤箱（7）的外部周围；所述的复合气室（1）内设置有贯通的气室内通道（3），所述的气室内通道（3）两端均与所述的样品输送管（10）连接，用于输送样品，所述的复合气室（1）内部充满碱金属气体、淬灭气体和缓冲气体；
该装置还包括由激发激光器（11）、第一起偏器（12）、第一1/2波片（13）和1/4波片（14）依次布置组成的激发光路（5），以及由检测激光器（15）、第二起偏器（16）、第二1/2波片（17）、沃拉斯通棱镜（18）、差分探测器（19）依次布置组成的检测光路（6）；
所述的激发光路（5）和检测光路（6）相互垂直；
所述的激发激光器（11）发出激发光，激发光依次经过第一起偏器（12）、第一1/2波片（13）和1/4波片（14）后形成圆偏振光，并最终照射到复合气室（1）内的碱金属气体并将其极化；
所述的检测激光器（15）发出检测光，检测光经过第二起偏器（16）后形成线偏振光，检测光经过复合气室（1）过程中，由于受待测磁性样品磁信号的影响，检测光的线偏振角发生变化，之后检测光经过第二1/2波片（17）的偏振角二倍作用和沃拉斯通棱镜（18）偏振分束作用后，到达差分探测器（19），从而由检测光偏振角变化得到极弱磁测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于复合气室的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的复合气室（1）内贯通的气室内通道（3）的两端均设置气室外接口（2），所述的气室外接口（2）外表面经过雾面处理，所述的气室内通道（3）通过所述的气室外接口（2）与样品输送管（10）连接。
3.根据权利要求1所述的基于复合气室的极弱磁测量装置，其特征在于，所述的复合气室（1）内贯通的气室内通道（3）与内部气体接触的外表面镀有遮光膜（4），以避免样品输送管（10）对光学信号产生干扰。
4.根据权利要求1所述的基于复合气室的极弱磁测量装置，其特征在于，整个测量装置全部采用无磁材料制成。
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