CN112946542A - 一种基于单光束的自激励原子磁探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单光束的自激励原子磁探测装置及探测方法，利用光与碱金属原子的相互作用闭环实现原子磁探测装置的自主连续运转，具体是：首先利用原子对激光的作用，实现透射激光偏振方向的调制，而后通过光路设计，将激光的偏振调制转化为光功率的调制，以此作为激励信号利用光对碱金属原子的作用激发原子自旋自激共振，实现原子自旋进动频率对环境磁场变化的主动跟踪测量。本发明无需额外引入磁场、电场控制或者光学调制元件，使用单个激光器，结构简单，成本、功耗低，易于实现系统集成化，利用集成光路设计工艺能够获得片上原子磁探测装置。
Description
技术领域
本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种基于单光束的自激励原子磁探测装置及探测方法。
背景技术
原子磁力仪一般以钾、铷、铯等碱金属原子作为工作原子，此些碱金属原子具有非零的原子自旋磁矩，当存在外部环境磁场时会以固定的频率(f＝γB/2π)绕磁场方向进动，其中γ表示碱金属原子的旋磁比，仅与原子种类有关，B表示环境磁场强度。进动的碱金属原子自旋会以进动频率f调制通过其的线偏振激光的偏振方向，这种现象也称为法拉第旋转。因此，通过测量透过碱金属原子介质的线偏振激光偏振方向变化频率可以得到碱金属原子自旋的进动频率，进而得到碱金属原子介质所处的环境磁场强度。
除此之外，自然状态下碱金属原子自旋的指向杂乱无章。
原子磁力仪利用碱金属原子自旋在磁场中的磁共振效应，当外部磁场强度发生变化时，碱金属原子自旋的共振频率也会发生相应改变。为了能使原子磁力仪持续输出较强的信号，需要调整碱金属原子自旋的共振激励频率实时追踪碱金属原子自旋的共振频率。
现有技术中，通过额外引入磁场、电场控制或者光学调制元件来调整碱金属原子自旋的共振激励频率，探测系统结构复杂，探测成本高且难度大。
综上所述，设计一种结构简单且无需额外引入磁场、电场控制或者光学调制元件来调整碱金属原子自旋的共振激励频率的装置具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于单光束的自激励原子磁探测装置及探测方法，利用光与碱金属原子的相互作用闭环实现原子磁探测装置的自主连续运转，无需额外引入磁场、电场控制或者光学调制元件，结构简单，易于实现系统集成化。具体技术方案如下：
一种基于单光束的自激励原子磁探测装置，包括光路模块、原子气室、温度控制模块和信号分析显示模块，所述光路模块用于产生激光极化原子气室中的碱金属原子介质、实现碱金属原子自旋共振激励以及碱金属原子自旋进动频率检测，所述温度控制模块用于控制原子气室的温度，所述信号分析显示模块用于解算和显示探测得到磁场信号；
所述光路模块包括激光控制器、激光器、分光片、扩束镜、第一起偏器、第一二分之一波片、偏振分光镜、聚焦透镜、第二二分之一波片、沃拉斯顿棱镜、平衡探测器、第一反射镜、第三二分之一波片、第二反射镜、第二起偏器和四分之一波片；所述激光器用于发射激光；所述分光片用于将激光器所发射的激光分为参考光束和主光束，所述激光控制器设置在参考光束的光路上并用于对激光器的激光频率进行选择及锁定；所述扩束镜和第一起偏器顺次设置在主光束的光路上，扩束镜用于扩大主光束的光斑尺寸，第一起偏器用于调整进入原子气室的主光束的偏振状态；所述偏振分光镜用于将穿过原子气室的主光束分为信号检测光束和泵浦光束，所述第一二分之一波片位于原子气室和偏振分光镜之间，用于调整信号检测光束和泵浦光束的光功率；所述聚焦透镜、第二二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器顺次设置信号检测光束的光路上，所述聚焦透镜用于汇聚信号检测光束，所述第二二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器用于检测信号检测光束的偏振方向的变化；所述第一反射镜、第三二分之一波片、第二反射镜、第二起偏器和四分之一波片顺次设置在泵浦光束的光路上，所述第一反射镜和第二反射镜反射方向能单独调节，用于调整泵浦光束行进的方向，所述第三二分之一波片用于调整泵浦光束的偏振方向与第二起偏器主轴之间的夹角，所述第二起偏器用于调整泵浦光束的光功率，所述四分之一波片用于调整进入原子气室的泵浦光束的偏振状态。
优选的，平衡探测器为平衡光电探测器，其输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。
优选的，所述温度控制模块包括无磁温度传感器、电加热片和温度控制器，所述无磁温度传感器用于监测原子气室的温度，电加热片用于加热原子气室；无磁温度传感器和电加热片均与温度控制器连接，所述温度控制器用于接收无磁温度传感器的温度测量信号并向电加热片输出对应的温度控制信号。
优选的，所述信号分析显示模块包括转换电路、数据处理服务器和显示设备；
所述转换电路的模数转换输入端与平衡探测器的差分输出端相连，所述转换电路的数模转换输出端与显示设备的输入端连接；所述数据处理服务器与转换电路连接，用于接收信号检测光束中携带的原子气室中碱金属原子自旋进动信号，以实现磁场信号解算且测量结果输出。
本发明还公开一种基于单光束的自激励原子磁探测装置的探测方法，包括以下步骤：
步骤一、按照激光经过顺序以及设备间连接关系将如权利要求1-4任意一项所述的基于单光束的自激励原子磁探测装置组装好；
步骤二、所述激光器发射的激光经过分光片分为参考光束和主光束，其中：参考光束反馈给激光控制器用于实现对激光器的激光频率的选择及锁定；主光束经过扩束镜扩大光斑尺寸，经过第一起偏器调整偏振状态穿过原子气室，主光束的偏振方向受到原子气室中碱金属原子自旋进动的调制，产生与碱金属原子自旋进动频率同频的周期性变化；
步骤三、透射出原子气室的主光束被偏振分光镜分为信号检测光束和泵浦光束，第一二分之一波片位于原子气室和偏振分光镜之间，用于调整信号检测光束和泵浦光束的光功率；
步骤四、所述聚焦透镜用于汇聚信号检测光束，经过第二二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，实现信号检测光束偏振方向变化的检测；
所述第三二分之一波片调整泵浦光束的初始偏振方向与第二起偏器主轴之间的夹角，经第二起偏器的泵浦光束的偏振方向的周期性变化转换成光功率的周期性变化，经过功率调制的泵浦光束在四分之一波片作用下由线偏振光转化为圆偏振光，辐照原子气室，对原子气室中的碱金属原子自旋进行共振激励；所述第一反射镜和第二反射镜反射方向能单独调节，用于调整泵浦光束行进的方向；
步骤五、信号分析显示模块中数据处理服务器通过转换电路采集平衡探测器输出的差分信号，根据检测光束的偏振方向的变化频率得到原子气室中碱金属原子自旋进动频率，由此解算出磁场信号大小，经过转换电路输出给显示设备；
步骤二至步骤五中，温度控制模块中温度控制器用于接收无磁温度传感器的温度测量信号并向电加热片输出对应的温度控制信号，实现对原子气室的温度进行控制。
优选的，所述温度控制器内设闭环控制方式。
优选的，通过第二起偏器的泵浦光束的功率与(90°－α)成正比，其中：0°≤α≤90°。
应用本发明的基于单光束的自激励原子磁探测装置及探测方法，利用光与碱金属原子的相互作用闭环实现原子磁探测装置的自主连续运转，具体是：首先利用原子对激光的作用，实现透射激光偏振方向的调制，而后通过光路设计，将激光的偏振调制转化为光功率的调制，以此作为激励信号利用光对碱金属原子的作用激发原子自旋自激共振，实现原子自旋进动频率对环境磁场变化的主动跟踪测量。本发明无需额外引入磁场、电场控制或者光学调制元件，使用单个激光器，结构简单，成本、功耗低，易于实现系统集成化，利用集成光路设计工艺能够获得片上原子磁探测装置。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例基于单光束的自激励原子磁探测装置的结构示意图；
其中，1-光路模块，101-激光控制器，102-激光器，103-分光片，104-扩束镜，105-第一起偏器，106-第一二分之一波片，107-偏振分光镜，108-聚焦透镜，109-第二二分之一波片，110-沃拉斯顿棱镜，111-平衡探测器，112-第一反射镜，113-第三二分之一波片，114-第二反射镜，115-第二起偏器，116-四分之一波片；
2-原子气室；
3-温度控制模块，301-无磁温度传感器，302-电加热片，303-温度控制器；
4-信号分析显示模块，401-转换电路，402-数据处理服务器，403-显示设备；
1A-参考光束，1B-主光束，1C-信号检测光束，1D-泵浦光束。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例：
参见图1，一种基于单光束的自激励原子磁探测装置，具体包括光路模块1、原子气室2、温度控制模块3和信号分析显示模块4，所述光路模块1用于产生激光极化原子气室2中的碱金属原子介质、实现碱金属原子自旋共振激励以及碱金属原子自旋进动频率检测，所述温度控制模块3用于控制原子气室2的温度，所述信号分析显示模块4用于解算和显示探测得到磁场信号，详情如下：
所述原子气室2为密闭的通光气室，内部充有碱金属原子(如钾、铷、铯等)、缓冲气体(如氮气)和淬火气体(如氦气)，可根据实际需求选定。
所述光路模块1包括激光控制器101、激光器102、分光片103、扩束镜104、第一起偏器105、第一二分之一波片106、偏振分光镜107、聚焦透镜108、第二二分之一波片109、沃拉斯顿棱镜110、平衡探测器111、第一反射镜112、第三二分之一波片113、第二反射镜114、第二起偏器115和四分之一波片116，具体是：
所述激光器102用于发射激光；所述分光片103用于将激光器102所发射的激光分为参考光束1A和主光束1B，所述激光控制器101设置在参考光束1A的光路上并用于对激光器102的激光频率进行选择及锁定。
所述扩束镜104和第一起偏器105顺次设置在主光束1B的光路上，扩束镜104用于扩大主光束1B的光斑尺寸，第一起偏器105用于调整进入原子气室2的主光束1B的偏振状态。扩束镜的设置，具有放大倍数可调特点，可实现对激光光束直径的调整，使激光覆盖原子气室，使得该探测装置适用于各种不同形状尺寸的原子气室，实用性强。
所述偏振分光镜107用于将穿过原子气室2的主光束1B分为信号检测光束1C和泵浦光束1D，所述第一二分之一波片106位于原子气室2和偏振分光镜107之间，用于调整信号检测光束1C和泵浦光束1D的光功率。
所述聚焦透镜108、第二二分之一波片109、沃拉斯顿棱镜110和平衡探测器111顺次设置信号检测光束1C的光路上，所述聚焦透镜108用于汇聚信号检测光束1C，所述第二二分之一波片109、沃拉斯顿棱镜110和平衡探测器111用于检测信号检测光束1C的偏振方向的变化；
所述第一反射镜112、第三二分之一波片113、第二反射镜114、第二起偏器115和四分之一波片116顺次设置在泵浦光束1D的光路上，所述第一反射镜112和第二反射镜114反射方向能单独调节，用于调整泵浦光束1D行进的方向，所述第三二分之一波片113用于调整泵浦光束1D的偏振方向与第二起偏器115主轴之间的夹角，所述第二起偏器115用于调整通过其的泵浦光束1D的光功率，所述四分之一波片116用于调整进入原子气室2的泵浦光束1D的偏振状态。平衡探测器111优选平衡光电探测器，其输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。
所述温度控制模块3包括无磁温度传感器301、电加热片302和温度控制器303，所述无磁温度传感器301用于监测原子气室2的温度，电加热片302用于加热原子气室2；无磁温度传感器301和电加热片302均与温度控制器303连接，所述温度控制器303用于接收无磁温度传感器301的温度测量信号并向电加热片302输出对应的温度控制信号。
所述信号分析显示模块4包括转换电路401、数据处理服务器402和显示设备403，所述转换电路401的模数转换输入端与平衡探测器111的差分输出端相连，所述转换电路401的数模转换输出端与显示设备403的输入端连接；所述数据处理服务器402与转换电路401连接，用于接收信号检测光束1C中携带的原子气室2中碱金属原子自旋进动信号，以实现磁场信号解算且测量结果输出。
采用本实施例的基于单光束的自激励原子磁探测装置进行探测，具体如下：
步骤一、按照激光经过顺序以及设备间连接关系将上述基于单光束的自激励原子磁探测装置组装好；
步骤二、所述激光器发射的激光经过分光片分为参考光束和主光束，其中：参考光束反馈给激光控制器用于实现对激光器的激光频率的选择及锁定；主光束经过扩束镜扩大光斑尺寸，经过第一起偏器调整偏振状态穿过原子气室，主光束的偏振方向受到原子气室中碱金属原子自旋进动的调制，产生与碱金属原子自旋进动频率同频的周期性变化；
步骤三、透射出原子气室的主光束被偏振分光镜分为信号检测光束和泵浦光束，第一二分之一波片位于原子气室和偏振分光镜之间，用于调整信号检测光束和泵浦光束的光功率；
步骤四、所述聚焦透镜用于汇聚信号检测光束，经过第二二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，实现信号检测光束偏振方向变化的检测；
所述第三二分之一波片调整泵浦光束的初始偏振方向与第二起偏器主轴之间的夹角，经第二起偏器的泵浦光束的偏振方向的周期性变化转换成光功率的周期性变化，经过功率调制的泵浦光束在四分之一波片作用下由线偏振光转化为圆偏振光，辐照原子气室，对原子气室中的碱金属原子自旋进行共振激励；所述第一反射镜和第二反射镜反射方向能单独调节，用于调整泵浦光束行进的方向；
步骤五、数据处理服务器通过转换电路采集平衡探测器输出的差分信号，根据检测光束的偏振方向的变化频率得到原子气室中碱金属原子自旋进动频率，由此解算出磁场信号大小，经过转换电路输出给显示设备；
步骤二至步骤五中，温度控制器用于接收无磁温度传感器的温度测量信号并向电加热片输出对应的温度控制信号，实现对原子气室的温度进行控制。
本实施例中，所述温度控制器内设闭环控制方式。
本实施例中，通过第二起偏器的泵浦光束的功率与(90°－α)成正比，其中：0°≤α≤90°。
本发明利用光与碱金属原子的相互作用闭环实现原子磁探测装置的自主连续运转，具体是：首先利用原子对激光的作用，实现透射激光偏振方向的调制，而后通过光路设计，将激光的偏振调制转化为光功率的调制，以此作为激励信号利用光对碱金属原子的作用激发原子自旋自激共振，实现原子自旋进动频率对环境磁场变化的主动跟踪测量。本发明无需额外引入磁场、电场控制或者光学调制元件，使用单个激光器，结构简单，成本、功耗低，易于实现系统集成化；本发明结构简单，操作方便，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (7)
1.一种基于单光束的自激励原子磁探测装置，其特征在于，包括光路模块(1)、原子气室(2)、温度控制模块(3)和信号分析显示模块(4)，所述光路模块(1)用于产生激光极化原子气室(2)中的碱金属原子介质、实现碱金属原子自旋共振激励以及碱金属原子自旋进动频率检测，所述温度控制模块(3)用于控制原子气室(2)的温度，所述信号分析显示模块(4)用于解算和显示探测得到磁场信号；
所述光路模块(1)包括激光控制器(101)、激光器(102)、分光片(103)、扩束镜(104)、第一起偏器(105)、第一二分之一波片(106)、偏振分光镜(107)、聚焦透镜(108)、第二二分之一波片(109)、沃拉斯顿棱镜(110)、平衡探测器(111)、第一反射镜(112)、第三二分之一波片(113)、第二反射镜(114)、第二起偏器(115)和四分之一波片(116)；所述激光器(102)用于发射激光；所述分光片(103)用于将激光器(102)所发射的激光分为参考光束(1A)和主光束(1B)，所述激光控制器(101)设置在参考光束(1A)的光路上并用于对激光器(102)的激光频率进行选择及锁定；所述扩束镜(104)和第一起偏器(105)顺次设置在主光束(1B)的光路上，扩束镜(104)用于扩大主光束(1B)的光斑尺寸，第一起偏器(105)用于调整进入原子气室(2)的主光束(1B)的偏振状态；所述偏振分光镜(107)用于将穿过原子气室(2)的主光束(1B)分为信号检测光束(1C)和泵浦光束(1D)，所述第一二分之一波片(106)位于原子气室(2)和偏振分光镜(107)之间，用于调整信号检测光束(1C)和泵浦光束(1D)的光功率；所述聚焦透镜(108)、第二二分之一波片(109)、沃拉斯顿棱镜(110)和平衡探测器(111)顺次设置信号检测光束(1C)的光路上，所述聚焦透镜(108)用于汇聚信号检测光束(1C)，所述第二二分之一波片(109)、沃拉斯顿棱镜(110)和平衡探测器(111)用于检测信号检测光束(1C)的偏振方向的变化；所述第一反射镜(112)、第三二分之一波片(113)、第二反射镜(114)、第二起偏器(115)和四分之一波片(116)顺次设置在泵浦光束(1D)的光路上，所述第一反射镜(112)和第二反射镜(114)反射方向能单独调节，用于调整泵浦光束(1D)行进的方向，所述第三二分之一波片(113)用于调整泵浦光束(1D)的偏振方向与第二起偏器(115)主轴之间的夹角，所述第二起偏器(115)用于调整泵浦光束(1D)的光功率，所述四分之一波片(116)用于调整进入原子气室(2)的泵浦光束(1D)的偏振状态。
2.根据权利要求1所述的基于单光束的自激励原子磁探测装置，其特征在于，平衡探测器(111)为平衡光电探测器，其输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。
3.根据权利要求1所述的基于单光束的自激励原子磁探测装置，其特征在于，所述温度控制模块(3)包括无磁温度传感器(301)、电加热片(302)和温度控制器(303)，所述无磁温度传感器(301)用于监测原子气室(2)的温度，电加热片(302)用于加热原子气室(2)；无磁温度传感器(301)和电加热片(302)均与温度控制器(303)连接，所述温度控制器(303)用于接收无磁温度传感器(301)的温度测量信号并向电加热片(302)输出对应的温度控制信号。
4.根据权利要求1所述的基于单光束的自激励原子磁探测装置，其特征在于，所述信号分析显示模块(4)包括转换电路(401)、数据处理服务器(402)和显示设备(403)；
所述转换电路(401)的模数转换输入端与平衡探测器(111)的差分输出端相连，所述转换电路(401)的数模转换输出端与显示设备(403)的输入端连接；所述数据处理服务器(402)与转换电路(401)连接，用于接收信号检测光束(1C)中携带的原子气室(2)中碱金属原子自旋进动信号，以实现磁场信号解算且测量结果输出。
5.一种基于单光束的自激励原子磁探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按照激光经过顺序以及设备间连接关系将如权利要求1-4任意一项所述的基于单光束的自激励原子磁探测装置组装好；
步骤二、所述激光器发射的激光经过分光片分为参考光束和主光束，其中：参考光束反馈给激光控制器用于实现对激光器的激光频率的选择及锁定；主光束经过扩束镜扩大光斑尺寸，经过第一起偏器调整偏振状态穿过原子气室，主光束的偏振方向受到原子气室中碱金属原子自旋进动的调制，产生与碱金属原子自旋进动频率同频的周期性变化；
步骤三、透射出原子气室的主光束被偏振分光镜分为信号检测光束和泵浦光束，第一二分之一波片位于原子气室和偏振分光镜之间，用于调整信号检测光束和泵浦光束的光功率；
步骤四、所述聚焦透镜用于汇聚信号检测光束，经过第二二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，实现信号检测光束偏振方向变化的检测；
所述第三二分之一波片调整泵浦光束的初始偏振方向与第二起偏器主轴之间的夹角，经第二起偏器的泵浦光束的偏振方向的周期性变化转换成光功率的周期性变化，经过功率调制的泵浦光束在四分之一波片作用下由线偏振光转化为圆偏振光，辐照原子气室，对原子气室中的碱金属原子自旋进行共振激励；所述第一反射镜和第二反射镜反射方向能单独调节，用于调整泵浦光束行进的方向；
步骤五、信号分析显示模块中数据处理服务器通过转换电路采集平衡探测器输出的差分信号，根据检测光束的偏振方向的变化频率得到原子气室中碱金属原子自旋进动频率，由此解算出磁场信号大小，经过转换电路输出给显示设备；
步骤二至步骤五中，温度控制模块中温度控制器用于接收无磁温度传感器的温度测量信号并向电加热片输出对应的温度控制信号，实现对原子气室的温度进行控制。
6.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，所述温度控制器内设闭环控制方式。
7.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，通过第二起偏器的泵浦光束的功率与(90°－α)成正比，其中：0°≤α≤90°。
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