CN112415444B - 一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统 - Google Patents

一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112415444B
CN112415444B CN202011118583.XA CN202011118583A CN112415444B CN 112415444 B CN112415444 B CN 112415444B CN 202011118583 A CN202011118583 A CN 202011118583A CN 112415444 B CN112415444 B CN 112415444B
Authority
CN
China
Prior art keywords
polarization
atomic
polaroid
atomic magnetometer
path system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011118583.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN112415444A (zh
Inventor
李东梅
郑文强
林强
苏圣然
毕欣
刘泽华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University of Technology ZJUT
Original Assignee
Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University of Technology ZJUT filed Critical Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority to CN202011118583.XA priority Critical patent/CN112415444B/zh
Publication of CN112415444A publication Critical patent/CN112415444A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112415444B publication Critical patent/CN112415444B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，所述原子磁力仪探测光路系统依次包括激光光源、第一偏振片、二分之一波片、相位补偿器、原子气室、第二偏振片和电荷藕合器件；其中，激光光源经过第一偏振片进行偏振预选择和二分之一波片的偏振调节，实现系统的前选择偏振态；前选择偏振态通过相位补偿器实现两个正交偏振分量在光传播横截面上的空间分离，原子气室产生的旋光和第二个偏振片共同实现系统的后选择偏振态。本发明提供的原子磁力仪探测光路系统可以对磁致旋光角进行高灵敏度检测，以实现磁场的高灵敏度传感。

Description

一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统
技术领域
本发明属于光学精密检测领域，特别涉及一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统。
背景技术
随着科技的迅速发展，人们对弱磁场的检测需求越来越高。由此发展出各种针对微弱磁场测量的高精度磁场检测技术，如质子进动磁力仪、超导量子干涉器件以及原子磁力仪等。其中，原子磁力仪由于其高灵敏度、高响应带宽、能不间断连续测量、功耗低、利于小型化设计等优势，受到了广泛的关注。并且，磁场的精密测量技术在包括资源勘探、军事应用、地球物理、生命科学与医疗等领域的发展中具有重要的应用价值。尤其是在生命医学方面，原子磁力仪在疾病诊断方面发挥了重要的作用。通过探测人体组织(如心脏和大脑等)中的微弱磁场信号并对其处理得到图像，为一些疾病的早期诊断提供一种十分有效的技术手段。
在原子磁力仪中，碱金属原子在外磁场中发生塞曼分裂，受到泵浦光的作用，各能级上的原子数产生重新分布，实现宏观上的极化矢量。此时，关掉泵浦光的作用而打开射频脉冲，激发产生原子的横向机化矢量，该横向极化矢量将绕着外磁场方向产生进动，进动频率与外加磁场值成正比。因此，通过测得这个进动频率，就可以实现对外加磁场的定量分析。实验中，探测光的偏振方向会受到横向磁矩进动过程的调制，通过对探测光的偏振信号进行解调，实现对拉莫进动频率的探测，从而得到磁场大小。因此，偏振检测灵敏度决定了磁力仪的整体性能，基于偏振分析的探测光路在原子磁力仪中占有举足轻重的地位。如公开号为CN111610470A的公开一种新型射频原子磁力仪及其实现方法。该方法是激光波长稳定，且保持激光波长与碱金属原子基态能级共振；将偏振片垂直于激光光束方向，使激光变为线偏振激光；线偏振激光经过原子气室并被光电探测器接收，同时线偏振激光方向与待测交变磁场方向平行或垂直；静磁场稳定不变，其方向与线偏振激光方向平行；射频场方向与待测交变磁场方向垂直；光电探测器探测全部经过原子气室的线偏振激光的光强值变化并输出电压值，经反馈控制器采集，对信号发生器进行反馈控制，使得射频场频率与待测交变磁场频率差值的绝对值等于碱金属原子的拉莫尔进动频率；根据磁共振光谱计算待测交变磁场频率与磁感应强度。本发明优点是操作简单、测量范围大。
但现有技术中的原子磁力仪的灵敏度仍不足，因此如何提高原子磁力仪的灵敏度是目前本领域仍需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，可以对系统中的磁致旋光角进行高灵敏度检测，以实现磁场的高灵敏度传感。
本发明提供如下技术方案：
一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，所述原子磁力仪探测光路系统依次包括激光光源、第一偏振片、二分之一波片、相位补偿器、原子气室、第二偏振片和电荷藕合器件；其中，激光光源经过第一偏振片进行偏振预选择和二分之一波片的偏振调节，实现系统的前选择偏振态；前选择偏振态通过相位补偿器实现两个正交偏振分量在光传播横截面上的空间分离，原子气室产生的旋光和第二个偏振片共同实现系统的后选择偏振态。
其中，原子气室为该系统的旋光引入介质。
所述前选择偏振态和后选择偏振态趋于正交。
所述原子磁力仪探测光路系统呈直线共路状态。
所述激光光源产生的光源光斑形状为高斯型。
所述第一偏振片和第二偏振片相同。所述第一偏振片和第二偏振片的消光比高于10000:1。
所述电荷藕合器件为CCD。
本发明提供的原子磁力仪探测光路系统的使用方法包括以下步骤：
(1)激光光源经过第一偏振片进行偏振预选择和二分之一波片的偏振调节，实现系统的前选择偏振态；
(2)前选择偏振态通过相位补偿器实现左旋和右旋偏振分量在横截面上的空间分离，原子气室产生的旋光效果与第二个偏振片联合实现系统的后选择偏振态；
(3)通过调节第一偏振片和第二偏振片使前选择偏振态和后选择偏振态趋于正交，出射光在电荷藕合器件呈现出两个出射光斑；
(4)通过调节二分之一波片或相位补偿器的相位或第二偏振片的角度，出射光在电荷藕合器件呈现出的两个出射光斑产生此消彼长的现象，其质心发生移动；
(5)通过实时拟合出射光斑质心，生成实时的偏振响应曲线；
(6)根据出射光斑的移动量得到系统中的旋光角度θ大小；
(7)根据
Figure BDA0002731210710000031
式中l是有效探测光路的长度，n是铷原子密度，re是电子的经典半径，c是光速，f是D1线的振子强度，Δv是探测光D1线的失谐频率，Px是x方向上极化矢量的稳态分量，得到原子气室中的极化矢量Px的大小；
(8)根据极化矢量与磁场的关系
Figure BDA0002731210710000032
计算出磁场B，其中，gs为朗德因子，μB为玻尔磁子，B是磁场，T是温度，κB是玻尔兹曼常数。
本发明提出的原子磁力仪探测光路系统摒弃了传统磁力仪中差分的偏振检测方式，引进了量子弱测量的方法实现原子磁力仪中偏振检测分析。量子弱测量是近年来发展起来的一种高精密信号检测技术，以其弱值放大的独特优势受到了广泛的关注与应用。在弱测量的思想中，由于测量系统与设备之间的弱相互作用，使得系统两个本征态之间产生一个微小的移动，通过出射的指针表达式而放大的读出这个弱耦合的参数。而这个放大的机理就是弱值放大，其弱值定义为
Figure BDA0002731210710000041
其中|ψi>和|ψf>分别为系统的前后选择偏振态，A为系统演化的可观测算符。可以看出，弱值的大小由前后选择态来决定。而对于光学系统来说，前后选择态是由偏振态实现。因此，如果对前后选择偏振态进行调制，产生偏振角的改变，可以通过出射的指针态的表达式中读出，为磁致旋光角的测量提供了可能。基于此，本发明设计一个直线共路的弱测量系统，利用原子气室中产生的磁致旋光来对弱测量系统的偏振态进行调制，从而实现对磁致旋光角的检测，进而作为原子磁力仪的探测光路展开应用。通过取代传统光泵原子磁力仪中的探测光路的作用，以量子弱测量中弱值放大的独特优势，实现高灵敏度原子磁力仪。
与现有技术相比，本发明提供的系统基于磁致旋光对弱测量系统偏振态的调制来实现偏振角度检测，其优点在于：
1.由于弱测量对微小偏振变化的灵敏反应，本发明中实现新的旋光检测方式，而且具有高灵敏度。
2.避免了传统原子磁力仪的平衡探测的偏振检测方式，直线型的系统设计便于集成，对于原子磁力仪的小型化具有巨大的优势。
附图说明
图1是本发明实施例中原子磁力仪探测光路系统的结构示意图；
图2是实施例中原子磁力仪探测光路系统中进行偏振修饰的旋光示意图；
图3是实施例中原子磁力仪探测光路系统中不同偏振角下的出射光斑信号图；
图4是实施例中原子磁力仪探测光路系统中出射光斑重心信号采集软件图。
具体实施方式
根据弱测量的原理，在以光学偏振为指针态的弱测量系统中，选择合适的前后选择偏振态，在出射指针态中蕴含着具有放大系数的作用的弱值，实现弱值放大，通过出射指针态读取待测量的大小。
如图1所示，本实施例提供的原子磁力仪探测光路系统依次包括呈直线共路状态的激光光源1、第一偏振片2、二分之一波片3、相位补偿器4、原子气室5、第二偏振片6和CCD7。在本实施例中，，激光光源(780nm)经过第一偏振片进行偏振预选择。二分之一波片用来进行偏振调节，实现系统的前选择偏振态。Soleil-Babinet补偿器(SBC)为实现系统中弱测量物理过程的重要元件。一束光通过SBC后会由于其相位偏振梯度使得两个正交偏振分量在横向上产生分离，经过后选择偏振实现弱值放大后可以采集其两个光斑分离量。SBC引起的相位延迟与第二偏振片结合实现系统的后选择态制备，经后选择偏振的投影测量之后，在CCD上接收出射光斑。通过分析两个光斑的分离距离实现对系统中偏振态的定量分析。
在该弱测量检测光路系统中，通过SBC的光束横截面上会形成不均匀的偏振态，由此可以产生两个正交偏振分量之间沿着高斯横截面上的相位梯度，从而将水平和垂直两个偏振分量在横向上分开。磁传感区域(即受光泵浦作用的原子气室)中的原子在磁场下的拉莫尔进动过程引起的检测光偏振的振荡会在检测光路系统中产生旋光效应。经过与前选择偏振片接近于垂直的后选择偏振态上的投影测量之后，通过位置探测器上采集到的出射光的两个光斑会随着磁场引起的偏振变化而产生空间分离。两个分量的电场矢量如式(1)所示。
Figure BDA0002731210710000061
式中β+β0为后选择偏振角(包括固定不动的第二个偏振片的指向角β0以及磁场引起的偏振变化角β)，R(θ)为SBC的旋转矩阵，JSBC为SBC的琼斯矩阵，Ei为初始电场矢量。出射光的总光强为：
Figure BDA0002731210710000062
对式(2)表示的出射光强信息进行实时的数据处理，就能反演出磁场引起的偏振角变化角θ。
系统中，原子气室中产生的磁致旋光角(如图2所示)通过出射光斑移动量来进行定量分析。如图3所示，当系统的前、后选择偏振态趋于正交时，出射光会在CCD上呈现出两个光斑的现象。而且，当系统中前选择偏振角(调节二分之一波片)或者后选择偏振角(调节SBC的相位或者第二个偏振片的角度)θ产生连续变化时，出射光斑强度产生此消彼长的现象，其质心发生移动。通过实时拟合光斑质心，就可以在软件中实现实时的偏振响应曲线(如图4中，曲线2显示光斑在CCD上水平方向的移动，曲线1显示的时竖直方向的移动，曲线3为零点标定曲线)。出射光斑的位置信息由式(3)进行计算：
Figure BDA0002731210710000063
因此，根据出射光斑的位置移动量Δ<x>＝<xθ>-<xθ＝0>就可以得到系统中的旋光角度θ大小。根据
Figure BDA0002731210710000064
(式中l是有效探测光路的长度，n是铷原子密度，re是电子的经典半径，c是光速，f是D1线的振子强度，Δv是探测光D1线的失谐频率，Px是x方向上极化矢量的稳态分量。)，就可以得到气室中的极化矢量Px的大小。根据极化矢量与磁场的关系
Figure BDA0002731210710000071
计算出磁场B。其中gs为朗德因子，μB为玻尔磁子，B是磁场，T是温度，kB是玻尔兹曼常数。

Claims (7)

1.一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，其特征在于，所述原子磁力仪探测光路系统依次包括激光光源、第一偏振片、二分之一波片、相位补偿器、原子气室、第二偏振片和电荷耦合器件；其中，激光光源经过第一偏振片进行偏振预选择和二分之一波片的偏振调节，实现系统的前选择偏振态；前选择偏振态通过相位补偿器实现两个正交偏振分量在光传播横截面上的空间分离，原子气室产生的旋光和第二个偏振片共同实现系统的后选择偏振态；所述相位补偿器为Soleil-Babinet补偿器；
所述原子磁力仪探测光路系统呈直线共路状态。
2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，其特征在于，所述激光光源产生的光源光斑形状为高斯型。
3.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，其特征在于，所述前选择偏振态和后选择偏振态趋于正交。
4.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，其特征在于，所述第一偏振片和第二偏振片相同。
5.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，其特征在于，所述第一偏振片和第二偏振片的消光比高于10000:1。
6.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，其特征在于，所述电荷耦合器件为CCD。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统，其特征在于，所述系统的使用方法包括以下步骤：
（1）激光光源经过第一偏振片进行偏振预选择和二分之一波片的偏振调节，实现系统的前选择偏振态；
（2）前选择偏振态通过相位补偿器实现左旋和右旋偏振分量在横截面上的空间分离，原子气室产生的旋光效果与第二个偏振片联合实现系统的后选择偏振态；
（3）通过调节第一偏振片和第二偏振片使前选择偏振态和后选择偏振态趋于正交，出射光在电荷耦合器件呈现出两个出射光斑；
（4）通过调节二分之一波片或相位补偿器的相位或第二偏振片的角度，出射光在电荷耦合器件呈现出的两个出射光斑产生此消彼长的现象，其质心发生移动；
（5）通过实时拟合出射光斑质心，生成实时的偏振响应曲线；
（6）根据出射光斑的移动量得到系统中的旋光角度大小；
（7）根据，式中l 是有效探测光路的长度，n 是铷原子密度，是电子的经典半径，c 是光速， f 是 D1线的振子强度，是探测光D1线的失谐频率，是x方向上极化矢量的稳态分量，得到原子气室中的极化矢量的大小；
（8）根据极化矢量与磁场的关系，计算出磁场B，其中，为朗德因子，为玻尔磁子，B是磁场，T是温度，是玻尔兹曼常数。
CN202011118583.XA 2020-10-19 2020-10-19 一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统 Active CN112415444B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011118583.XA CN112415444B (zh) 2020-10-19 2020-10-19 一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011118583.XA CN112415444B (zh) 2020-10-19 2020-10-19 一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112415444A CN112415444A (zh) 2021-02-26
CN112415444B true CN112415444B (zh) 2023-04-14

Family

ID=74840109

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011118583.XA Active CN112415444B (zh) 2020-10-19 2020-10-19 一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112415444B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113176619B (zh) * 2021-03-12 2022-06-24 中国地质大学（武汉） 一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪
CN115166608B (zh) * 2022-07-12 2024-04-16 中国地质大学（武汉） 基于相位偏置量子弱测量的绝对弱磁场测量设备及方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108519565B (zh) * 2018-04-09 2021-01-22 四川大学 基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法
IL305704A (en) * 2018-10-22 2023-11-01 Drs Network & Imaging Systems Llc An integrated gain sensor for measuring weak quantum optics for remote sensing
CN110412490B (zh) * 2019-08-15 2020-11-24 四川大学 一种基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dongmei Li等.Spectrum demodulating polarimeter based on weak measurement with a phase modulation.《Journal of Physics D: Applied Physics》.2019,全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112415444A (zh) 2021-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108508382B (zh) 一种基于serf原子自旋效应的三维梯度磁场测量装置
US10466317B2 (en) Atomic magnetometry using pump-probe operation and multipass cells
CN112415444B (zh) 一种基于量子弱测量的原子磁力仪探测光路系统
CN107394576B (zh) 一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置及方法
Allred et al. High-sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation
Hall et al. Condensate splitting in an asymmetric double well for atom chip based sensors
CN108519565B (zh) 基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法
CN111044947B (zh) 一种用于脑磁测量的多通道serf原子磁力仪装置及应用方法
US20100308814A1 (en) System for high-resolution measurement of a magnetic field/gradient and its application to a magnetometer or gradiometer
CN108717168B (zh) 一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法
CN109782197B (zh) 芯片原子传感实现方法及其传感器
Fabricant et al. How to build a magnetometer with thermal atomic vapor: a tutorial
CN115727829A (zh) 抑制碱金属极化磁场影响的操控方法及系统
Ma et al. Accurate determination of alkali atom density based on zero-field magnetic resonance in a single-beam spin-exchange relaxation-free atomic magnetometer
Romalis Optically pumped magnetometers for biomagnetic measurements
CN113625206A (zh) 一种动态模式转换原子磁场探测装置
Long et al. Speedy in-situ magnetic field compensation algorithm for multiple-channel single-beam SERF atomic magnetometers
Yu et al. Partial measurements of the total field gradient and the field-gradient tensor using an atomic magnetic gradiometer
CN113679389B (zh) 基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法
Fu et al. Intrinsic transverse relaxation mechanisms of polarized alkali atoms enclosed in radio-frequency magnetometer cell
EP3736532B1 (en) Atomic interferometer system
Howard Modulated optical solid-state spectrometer applications in plasma diagnostics
Ohta et al. Highly sensitive detection of pulsed field ESR using a cantilever at low temperature
Rost et al. A combined Phase Contrast Imaging and heterodyne interferometer for multiscale fluctuation measurements in tokamak plasmas
CN115754845B (zh) 基于矢量光调制的原子磁强计空间磁场成像装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant