CN113075594A - 一种serf原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统及方法 - Google Patents

一种serf原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统及方法，通过在检测激光模块中设置将检测激光器发出的激光一分为二的第一偏振分光棱镜，其中第一束检测激光沿X轴穿越碱金属气室以测量检测轴电子极化率信息，第二束检测激光与抽运激光模块形成的抽运光耦合后沿Z轴穿越碱金属气室以测量抽运轴电子极化率信息，所述检测轴电子极化率Px通过对X轴方向旋光角θx的测量实现原位测量，所述抽运轴电子极化率Pz通过对Z轴方向旋光角θz的测量实现原位测量，有利于在SERF原子磁强计正常工作时完成碱金属电子双轴极化率的在线测量，提高测量效率。

Description

一种SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统及方法
技术领域
本发明涉及SERF原子磁强计测量技术，具体涉及一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统及方法，通过在检测激光模块中设置将检测激光器发出的激光一分为二的第一偏振分光棱镜，其中第一束检测激光沿X轴(检测轴)穿越碱金属气室以测量检测轴电子极化率信息，第二束检测激光与抽运激光模块形成的抽运光耦合后沿Z轴(抽运轴)穿越碱金属气室以测量抽运轴电子极化率信息，所述检测轴电子极化率Px通过对X轴方向旋光角旋光角θx的测量实现原位测量，所述抽运轴电子极化率Pz通过对Z轴方向旋光角旋光角θz的测量实现原位测量，双轴解决了抽运轴极化率难以测量的问题，并在SERF原子磁强计正常工作时实现了极化率的双轴测量。
背景技术
SERF原子磁强计SERF原子磁强计是一种高精度磁强计，其敏感介质碱金属原子(如钾、铷、铯等)的极化状态是决定SERF原子磁强计SERF原子磁强计灵敏度与信号强度的重要因素。碱金属原子的电子极化率是衡量极化状态的重要指标。目前，常用的碱金属电子极化率测量装置是基于SERF原子磁强计SERF原子磁强计的，由于使用近共振光抽运碱金属原子，抽运光几乎完全被碱金属吸收，因此难以使用抽运光信息测量抽运轴方向的电子极化率。此外常用的碱金属电子极化率测量方法一般只能测量单轴电子极化率信息，无法同时测量双轴极化率信息。本发明人认为，如果通过将检测激光器发出的激光一分为二，利用其中的一束与抽运光耦合，测量抽运轴极化率信息，另一束测量检测轴极化率信息，并通过测量旋光角旋光角与比例系数，则能实现碱金属原子的电子极化率双轴原位测量，克服常规极化率测量方法无法对于抽运轴极化率进行测量的缺陷，且无需在测量时对装置施加任何磁场或其他干扰信号，有利于降低测量对于SERF原子磁强计SERF原子磁强计的影响，实现双轴极化率的原位测量。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统及方法，通过在检测激光模块中设置将检测激光器发出的激光一分为二的第一偏振分光棱镜，其中第一束检测激光沿X轴穿越碱金属气室以测量检测轴电子极化率信息，第二束检测激光与抽运激光模块形成的抽运光耦合后沿Z轴穿越碱金属气室以测量抽运轴电子极化率信息，所述检测轴电子极化率Px通过对X轴方向旋光角θx的测量实现原位测量，所述抽运轴电子极化率Pz通过对Z轴方向旋光角θz的测量实现原位测量，有利于在SERF原子磁强计SERF原子磁强计正常工作时完成碱金属电子双轴极化率的在线测量，提高测量效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统，其特征在于，包括检测激光模块和抽运激光模块，在所述检测激光模块中设置将检测激光器发出的激光一分为二的第一偏振分光棱镜，其中第一束检测激光沿X轴穿越碱金属气室以测量检测轴电子极化率信息，第二束检测激光与所述抽运激光模块形成的抽运光耦合后沿Z轴穿越所述碱金属气室以测量抽运轴电子极化率信息。
所述检测轴电子极化率Px通过对X轴方向旋光角θx的测量实现原位测量，所述抽运轴电子极化率Pz通过对Z轴方向旋光角θz的测量实现原位测量。
采用以下计算公式：
Figure BDA0002990364370000021
Figure BDA0002990364370000022
式中N＝πrenl，re为经典电子半径，n为碱金属数密度，l为气室光程，fD1为碱金属原子D1线振荡强度，fD2为碱金属原子D2线振荡强度，ν为检测激光频率，νD1为碱金属原子D1线频率，νD2为碱金属原子D2线频率，V(ν-νD1)为碱金属原子D1线Voigt线形，V(ν-νD2)为碱金属原子D2线Voigt线形，Im表示取复数的虚数部分。
所述检测激光模块包括检测激光器，所述检测激光器通过第一1/2波片连接所述第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜的透射束依次通过光开关、第二扩束系统、第二起偏器、光弹调制器、第二1/4波片、所述碱金属气室和检偏器连接光电探测器，所述光电探测器通过锁相放大器连接上位机；所述抽运激光模块包括抽运激光器，所述抽运激光器依次通过第一扩束系统、第一起偏器和第一1/4波片连接第一反射镜，所述第一反射镜通过第三1/2波片连接第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的透射束依次通过所述碱金属气室和第四1/2波片连接第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜的透射束连接差分探测器的第一差分端口，所述第三偏振分光棱镜的反射束通过第三反射镜连接所述差分探测器的第二差分端口，所述差分探测器通过所述锁相放大器连接所述上位机；所述第一偏振分光棱镜的反射束依次通过第二反射镜、第三起偏器和第二1/2波片连接所述第二偏振分光棱镜以耦合到抽运光中。
所述碱金属气室周围自内而外依次设置有无磁电加热系统、三轴磁补偿线圈和磁屏蔽桶，所述三轴磁补偿线圈与函数发生器相连接。
所述检测激光器配置有光功率计。
一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法，其特征在于，采用上述SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统对于SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率进行双轴原位测量，包括以下步骤：
步骤1，关闭抽运激光器与光开关，根据碱金属原子种类调节无磁电加热系统使碱金属气室温度控制在140℃至200℃之间，此时碱金属气室将只对检测激光器发出的线偏振第二检测光束产生吸收，用光功率计测试第二检测光束经过碱金属气室前的光强I(0)，与经过碱金属气室后的光强I(Z)；在碱金属原子D1线附近扫描检测激光器频率，记录不同第二检测光束频率(ν1，ν2，…νn)下的I(0)值(I(0)1，I(0)2，…,I(0)n)与I(Z)值(I(Z)1，I(Z)2，…,I(Z)n)，之后对第二检测光束频率与I(0)、I(Z)值进行数据拟合，拟合公式为：
Figure BDA0002990364370000031
其中re为经典电子半径，c为光速，fD1为碱金属原子D1线振荡强度，ГL为压力展宽，ν0为碱金属原子D1线中心频率，n为碱金属数密度，l为气室光程，比例系数N＝πrenl，通过数据拟合可以得到比例系数N；完成上述操作后调节检测激光器频率至碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上，调节第四1/2波片使差分探测器输出信号最小；
步骤2，打开抽运激光器与光开关，调节抽运激光器使其发射出的激光频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线中心，之后对SERF原子磁强计SERF原子磁强计进行三维磁补偿，使碱金属气室感受到的磁场为零，此时SERF原子磁强计SERF原子磁强计进入正常工作状态；
步骤3，使用锁相放大器中记录的Z轴与X轴的旋光角信息，并通过上位机解算出Z轴与X轴的旋光角θz与θx；
步骤4，对步骤3采集到的Z轴与X轴旋光角θz与θx与步骤(1)中计算得到的比例系数N，根据公式解算出Z轴与X轴电子极化率PZ与PX，计算公式分别为：
Figure BDA0002990364370000041
Figure BDA0002990364370000042
其中fD1为碱金属原子D1线振荡强度，fD2为碱金属原子D2线振荡强度，ν为检测激光频率，νD1为碱金属原子D1线频率，νD2为碱金属原子D2线频率，V(ν-νD1)为碱金属原子D1线Voigt线形，V(ν-νD2)为碱金属原子D2线Voigt线形；Im表示取复数的虚数部分。
所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。
所述碱金属气室中包含缓冲气体氮气与淬灭气体氦气，氮气气压不小于1atm，氦气气压为50Torr左右。
步骤2中的SERF原子磁强计SERF原子磁强计进入正常工作状态下，抽运激光器发射出激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线中心；检测激光器发射出激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上。
本发明的技术效果如下：本发明一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统及方法，通过将检测激光器发出的激光一分为二，利用其中的一束与抽运光耦合，测量抽运轴极化率信息，另一束测量检测轴极化率信息，并通过测量旋光角与比例系数，实现了碱金属原子的电子极化率双轴原位测量。本发明克服了常规极化率测量方法无法对于抽运轴极化率进行测量的缺陷，且无需在测量时对装置施加任何磁场或其他干扰信号，降低了测量对于SERF原子磁强计SERF原子磁强计的影响，实现了双轴极化率的原位测量。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)常规用于SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率测量装置使用近共振的抽运光来极化原子，由于碱金属气室中碱金属原子数密度较大，光学深度较深，因此抽运光通过气室后几乎被完全吸收，故无法使用抽运光信息进行极化率测量。本发明涉及的装置将检测激光器发出的光束分为两束，其中一束耦合到抽运光中，在不影响装置工作的状态下实现了抽运轴方向的电子极化率测量。(2)本发明涉及的用于SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率测量方法以旋光角作为测量量，在装置正常工作前完成对于系数N的测量后可以实现对于碱金属电子极化率的在线测量，测量过程中无需对装置进行任何操作，将对于测量的影响降至最低。
附图说明
图1是实施本发明一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统的结构示意图。图1中包括第一偏振分光棱镜3将检测激光器1发出的激光一分为二，其中第一束检测激光沿X轴穿越碱金属气室21以测量检测轴电子极化率信息，第二束检测激光与抽运激光模块形成的抽运光耦合后沿Z轴穿越碱金属气室21以测量抽运轴电子极化率信息。所述检测轴电子极化率Px通过对X轴方向旋光角θx的测量实现原位测量，所述抽运轴电子极化率Pz通过对Z轴方向旋光角θz的测量实现原位测量。
图2是实施本发明一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法的流程示意图。图2中步骤1，关闭抽运激光器与光开关，改变检测激光器频率，使用光功率计测量第二检测光束在碱金属气室前后的光功率(例如，入射前光强I(o)，出射后光强I(z))，并拟合得到比例系数N(N＝πrenl，re为经典电子半径，n为碱金属数密度，l为气室光程)；步骤2，打开抽运激光器与光开关，调节装置(SERF原子磁强计SERF原子磁强计)进入正常工作状态；步骤3，使用锁相放大器记录Z轴与X轴的旋光角信息，并通过上位机解算出Z轴与X轴的旋光角(θz，θx)；步骤4，根据旋光角与比例系数N，计算出Z轴与X轴电子极化率(Pz，Px)。
附图标记列示如下：1-检测激光器；2-第一1/2波片；3-第一偏振分光棱镜；4-第二扩束系统；5-第二起偏器；6-光弹调制器；7-第二1/4波片；8-检偏器；9-光电探测器；10-抽运激光器；11-第一扩束系统；12-第一起偏器；13-第一1/4波片；14-第一反射镜；15-第三1/2波片；16-第二反射镜；17-第三起偏器；18-磁屏蔽桶；19-三轴磁补偿线圈；20-无磁电加热系统；21-碱金属气室；22-第三偏振分光棱镜；23-第三反射镜；24-差分探测器；25-函数发生器；26-锁相放大器；27-抽运激光模块；28-检测激光模块；29-抽运轴检测模块；30-第二1/2波片；31-光开关；32-第二偏振分光棱镜；33-光功率计；34-第四1/2波片；35-上位机。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统的结构示意图。图2是实施本发明一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法的流程示意图。参考图1至图2所示，一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统，包括检测激光模块28和抽运激光模块27，在所述检测激光模块28中设置将检测激光器1发出的激光一分为二的第一偏振分光棱镜3，其中第一束检测激光沿X轴穿越碱金属气室21以测量检测轴电子极化率信息，第二束检测激光与所述抽运激光模块27形成的抽运光耦合后沿Z轴穿越所述碱金属气室21以测量抽运轴电子极化率信息。所述检测轴电子极化率Px通过对X轴方向旋光角θx的测量实现原位测量，所述抽运轴电子极化率Pz通过对Z轴方向旋光角θz的测量实现原位测量。采用以下计算公式：
Figure BDA0002990364370000061
Figure BDA0002990364370000062
式中N＝πrenl，re为经典电子半径，n为碱金属数密度，l为气室光程，fD1为碱金属原子D1线振荡强度，fD2为碱金属原子D2线振荡强度，ν为检测激光频率，νD1为碱金属原子D1线频率，νD2为碱金属原子D2线频率，V(ν-νD1)为碱金属原子D1线Voigt线形，V(ν-νD2)为碱金属原子D2线Voigt线形，Im表示取复数的虚数部分。
所述检测激光模块28包括检测激光器1，所述检测激光器1通过第一1/2波片2连接所述第一偏振分光棱镜3，所述第一偏振分光棱镜3的透射束依次通过光开关31、第二扩束系统4、第二起偏器5、光弹调制器6、第二1/4波片7、所述碱金属气室21和检偏器8连接光电探测器9，所述光电探测器9通过锁相放大器26连接上位机35；所述抽运激光模块27包括抽运激光器10，所述抽运激光器10依次通过第一扩束系统11、第一起偏器12和第一1/4波片13连接第一反射镜14，所述第一反射镜14通过第三1/2波片15连接第二偏振分光棱镜32，所述第二偏振分光棱镜32的透射束依次通过所述碱金属气室21和第四1/2波片34连接第三偏振分光棱镜22，所述第三偏振分光棱镜22的透射束连接差分探测器24的第一差分端口，所述第三偏振分光棱镜22的反射束通过第三反射镜23连接所述差分探测器24的第二差分端口，所述差分探测器24通过所述锁相放大器26连接所述上位机35；所述第一偏振分光棱镜3的反射束依次通过第二反射镜16、第三起偏器17和第二1/2波片30连接所述第二偏振分光棱镜32以耦合到抽运光中。
所述碱金属气室21周围自内而外依次设置有无磁电加热系统20、三轴磁补偿线圈19和磁屏蔽桶18，所述三轴磁补偿线圈19与函数发生器25相连接。所述抽运激光器10配置有光功率计33。
一种SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法，采用上述SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统对于SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率进行双轴原位测量，包括以下步骤：
步骤1，关闭抽运激光器与光开关，根据碱金属原子种类调节无磁电加热系统使碱金属气室温度控制在140℃至200℃之间，此时碱金属气室将只对检测激光器发出的线偏振第二检测光束产生吸收，用光功率计测试第二检测光束经过碱金属气室前的光强I(0)，与经过碱金属气室后的光强I(Z)；在碱金属原子D1线附近扫描检测激光器频率，记录不同第二检测光束频率(ν1，ν2，…νn)下的I(0)值(I(0)1，I(0)2，…,I(0)n)与I(Z)值(I(Z)1，I(Z)2，…,I(Z)n)，之后对第二检测光束频率与I(0)、I(Z)值进行数据拟合，拟合公式为：
Figure BDA0002990364370000071
其中re为经典电子半径，c为光速，fD1为碱金属原子D1线振荡强度，ГL为压力展宽，ν0为碱金属原子D1线中心频率，n为碱金属数密度，l为气室光程，比例系数N＝πrenl，通过数据拟合可以得到比例系数N；完成上述操作后调节检测激光器频率至碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上，调节第四1/2波片使差分探测器输出信号最小；
步骤2，打开抽运激光器与光开关，调节抽运激光器使其发射出的激光频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线中心，之后对SERF原子磁强计SERF原子磁强计进行三维磁补偿，使碱金属气室感受到的磁场为零，此时SERF原子磁强计SERF原子磁强计进入正常工作状态；
步骤3，使用锁相放大器中记录的Z轴与X轴的旋光角信息，并通过上位机解算出Z轴与X轴的旋光角θz与θx；
步骤4，对步骤3采集到的Z轴与X轴旋光角θz与θx与步骤(1)中计算得到的碱金属数密度n与气室光程l的乘积，根据公式解算出Z轴与X轴电子极化率PZ与PX，计算公式分别为：
Figure BDA0002990364370000072
Figure BDA0002990364370000081
其中fD1为碱金属原子D1线振荡强度，fD2为碱金属原子D2线振荡强度，ν为检测激光频率，νD1为碱金属原子D1线频率，νD2为碱金属原子D2线频率，V(ν-νD1)为碱金属原子D1线Voigt线形，V(ν-νD2)为碱金属原子D2线Voigt线形；Im表示取复数的虚数部分。
所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。所述碱金属气室中包含缓冲气体氮气与淬灭气体氦气，氮气气压不小于1atm，氦气气压为50Torr左右。步骤2中的SERF原子磁强计SERF原子磁强计进入正常工作状态下，抽运激光器发射出激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线中心；检测激光器发射出激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上。
本发明提供一种应用于SERF原子磁强计SERF原子磁强计的电子极化率双轴测量装置及方法，将检测光一分为二，其中一束与抽运光耦合实现抽运轴的极化率测量，另一束可直接测量检测轴极化率测量，实现了包含抽运轴的碱金属原子的电子极化率双轴原位测量，提高率测量效率，包括碱金属气室(21)、无磁电加热系统(20)、三轴磁补偿线圈(19)、磁屏蔽桶(18)、函数发生器(25)、锁相放大器(26)、抽运激光模块(27)、检测激光模块(28)、抽运轴检测模块(29)、光功率计(33)与上位机(35)；其中磁屏蔽桶(18)用于为碱金属气室(21)提供SERF原子磁强计所需的弱磁场环境，无磁电加热系统(20)为碱金属气室(21)加热以达到足够高的碱金属原子数密度，三轴磁场补偿线圈(19)与函数发生器(25)相连，用于补偿屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场，光功率计(33)用于测量光束的光功率，上位机(35)用于解算锁相放大器(26)采集到的电信号。抽运激光模块(27)中抽运激光器(10)发射出的一束抽运激光经过第一扩束系统(11)、第一起偏器(12)与第一1/4波片(13)后转化为圆偏振光，经第一反射镜(14)反射至Z方向后射入碱金属气室(21)，实现对碱金属原子的极化；检测激光模块(28)中检测激光器(1)发射出的一束检测激光经过第一1/2波片(2)与第一偏振分光棱镜(3)后分为第一检测光束与第二检测光束，第一检测光束沿X方向射出后经和光开关(31)、第二扩束系统(4)、第二起偏器(5)转化为线偏振激光，经光弹调制器(6)与第二1/4波片(7)后被调制，而后射入经过碱金属气室(21)，透射出的光束受到原子自旋进动的影响，线偏振光偏振轴发生偏转，而后透射光束经检偏器(8)与光电探测器(9)后转化为电信号，并输入至锁相放大器(26)后将信号传输至上位机(35)进行解算；第二检测光束沿Z方向射入抽运轴检测模块(29)，经第二反射镜(16)反射至X方向，而后通过第三起偏器(17)转化为线偏振光，并通过第二1/2波片(30)和第二偏振分光棱镜(32)与抽运光耦合，沿Z轴射入碱金属气室(21)，其中第二1/2波片(30)用于控制第二检测光束强度，第三1/2波片(15)用于控制抽运光强度；经过碱金属气室(21)后，第二检测光束与第一检测光束类似，受到原子自旋进动的影响，线偏振光偏振轴发生偏转，而后经第四1/2波片(34)、第三偏振分光棱镜(22)与第三反射镜(23)后分为两束射入差分探测器(24)后转化为电信号，并输入至锁相放大器(26)中实现对于Z方向旋光角的测量，而后将信号输入上位机(35)中进行解算。
本发明还提供了一种用于SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法，该方法使用上述SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统进行测量，包括以下步骤：
(1)关闭抽运激光器(10)与光开关(31)，根据碱金属原子种类调节无磁电加热装置(20)使碱金属气室(21)温度控制在140℃至200℃之间，此时碱金属气室(21)将只对检测激光器(1)发出的线偏振第二检测光束产生吸收，用光功率计(33)测试第二检测光束经过碱金属气室(21)前的光强I(0)，与经过碱金属气室(21)后的光强I(Z)；在碱金属原子D1线附近扫描检测激光器频率，记录不同第二检测光束频率(ν1，ν2，…νn)下,I(0)值(I(0)1，I(0)2，…,I(0)n)与I(Z)值(I(Z)1，I(Z)2，…,I(Z)n)。之后对第二检测光束频率与I(0)、I(Z)值进行数据拟合，拟合公式为：
Figure BDA0002990364370000091
其中re为经典电子半径，c为光速，fD1为碱金属原子D1线振荡强度，ГL为压力展宽，ν0为碱金属原子D1线中心频率，n为碱金属数密度，l为气室光程，比例系数N＝πrenl，通过数据拟合可以得到比例系数N；完成上述操作后调节检测激光器(1)频率至碱金属气室(21)中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上，调节第四1/2波片(34)使差分探测器输出信号最小；
(2)打开抽运激光器(10)与光开关(31)，调节抽运激光器(10)使其发射出的激光频率在碱金属气室(21)中所含碱金属的D1线中心，之后对SERF原子磁强计进行三维磁补偿，使碱金属气室(21)感受到的磁场为零，此时SERF原子磁强计进入正常工作状态；
(3)使用锁相放大器(26)记录Z轴与X轴的旋光角信息，并通过上位机(35)解算出Z轴与X轴的旋光角θz与θx；
(4)对步骤(3)采集到的Z轴与X轴旋光角θz与θx与步骤(1)中计算得到的碱金属数密度n与气室光程l的乘积，根据公式解算出Z轴与X轴电子极化率PZ与PX，计算公式分别为：
Figure BDA0002990364370000101
Figure BDA0002990364370000102
其中fD1为碱金属原子D1线振荡强度，fD2为碱金属原子D2线振荡强度，ν为检测激光频率，νD1为碱金属原子D1线频率，νD2为碱金属原子D2线频率，V(ν-νD1)为碱金属原子D1线Voigt线形，V(ν-νD2)为碱金属原子D2线Voigt线形；Im表示取复数的虚数部分。
所述的碱金属气室(21)中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。
所述的碱金属气室(21)中包含缓冲气体氮气与淬灭气体氦气，氮气气压不小于1atm，氦气气压为50Torr左右。
所述方法步骤(2)中的SERF原子磁强计正常工作状态下，抽运激光器(10)发射出激光的频率在碱金属气室(21)中所含碱金属的D1线中心；检测激光器(1)发射出激光的频率在碱金属气室(21)中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统，其特征在于，包括检测激光模块和抽运激光模块，在所述检测激光模块中设置将检测激光器发出的激光一分为二的第一偏振分光棱镜，其中第一束检测激光沿X轴穿越碱金属气室以测量检测轴电子极化率信息，第二束检测激光与所述抽运激光模块形成的抽运光耦合后沿Z轴穿越所述碱金属气室以测量抽运轴电子极化率信息。
2.根据权利要求1所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统，其特征在于，所述检测轴电子极化率Px通过对X轴方向旋光角θx的测量实现原位测量，所述抽运轴电子极化率Pz通过对Z轴方向旋光角θz的测量实现原位测量。
3.根据权利要求2所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统，其特征在于，采用以下计算公式：
Figure FDA0002990364360000011
Figure FDA0002990364360000012
式中N＝πrenl，re为经典电子半径，n为碱金属数密度，l为气室光程，fD1为碱金属原子D1线振荡强度，fD2为碱金属原子D2线振荡强度，ν为检测激光频率，νD1为碱金属原子D1线频率，νD2为碱金属原子D2线频率，V(ν-νD1)为碱金属原子D1线Voigt线形，V(ν-νD2)为碱金属原子D2线Voigt线形，Im表示取复数的虚数部分。
4.根据权利要求1所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统，其特征在于，所述检测激光模块包括检测激光器，所述检测激光器通过第一1/2波片连接所述第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜的透射束依次通过光开关、第二扩束系统、第二起偏器、光弹调制器、第二1/4波片、所述碱金属气室和检偏器连接光电探测器，所述光电探测器通过锁相放大器连接上位机；所述抽运激光模块包括抽运激光器，所述抽运激光器依次通过第一扩束系统、第一起偏器和第一1/4波片连接第一反射镜，所述第一反射镜通过第三1/2波片连接第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的透射束依次通过所述碱金属气室和第四1/2波片连接第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜的透射束连接差分探测器的第一差分端口，所述第三偏振分光棱镜的反射束通过第三反射镜连接所述差分探测器的第二差分端口，所述差分探测器通过所述锁相放大器连接所述上位机；所述第一偏振分光棱镜的反射束依次通过第二反射镜、第三起偏器和第二1/2波片连接所述第二偏振分光棱镜以耦合到抽运光中。
5.根据权利要求1所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统，其特征在于，所述碱金属气室周围自内而外依次设置有无磁电加热系统、三轴磁补偿线圈和磁屏蔽桶，所述三轴磁补偿线圈与函数发生器相连接。
6.根据权利要求1所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统，其特征在于，所述检测激光器配置有光功率计。
7.一种SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法，其特征在于，采用上述权利要求1-6之一所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量系统对于SERF原子磁强计的电子极化率进行双轴原位测量，包括以下步骤：
步骤1，关闭抽运激光器与光开关，根据碱金属原子种类调节无磁电加热系统使碱金属气室温度控制在140℃至200℃之间，此时碱金属气室将只对检测激光器发出的线偏振第二检测光束产生吸收，用光功率计测试第二检测光束经过碱金属气室前的光强I(0)，与经过碱金属气室后的光强I(Z)；在碱金属原子D1线附近扫描检测激光器频率，记录不同第二检测光束频率(ν1，ν2，…νn)下的I(0)值(I(0)1，I(0)2，…,I(0)n)与I(Z)值(I(Z)1，I(Z)2，…,I(Z)n)，之后对第二检测光束频率与I(0)、I(Z)值进行数据拟合，拟合公式为：
Figure FDA0002990364360000021
其中re为经典电子半径，c为光速，fD1为碱金属原子D1线振荡强度，ГL为压力展宽，ν0为碱金属原子D1线中心频率，n为碱金属数密度，l为气室光程，比例系数N＝πrenl，通过数据拟合可以得到比例系数N；完成上述操作后调节检测激光器频率至碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上，调节第四1/2波片使差分探测器输出信号最小d；
步骤2，打开抽运激光器与光开关，调节抽运激光器使其发射出的激光频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线中心，之后对SERF原子磁强计进行三维磁补偿，使碱金属气室感受到的磁场为零，此时SERF原子磁强计进入正常工作状态；
步骤3，使用锁相放大器中记录的Z轴与X轴的旋光角信息，并通过上位机解算出Z轴与X轴的旋光角θz与θx；
步骤4，对步骤3采集到的Z轴与X轴旋光角θz与θx与步骤(1)中计算得到的碱金属数密度n与气室光程l的乘积，根据公式解算出Z轴与X轴电子极化率PZ与PX，计算公式分别为：
Figure FDA0002990364360000031
Figure FDA0002990364360000032
其中fD1为碱金属原子D1线振荡强度，fD2为碱金属原子D2线振荡强度，ν为检测激光频率，νD1为碱金属原子D1线频率，νD2为碱金属原子D2线频率，V(ν-νD1)为碱金属原子D1线Voigt线形，V(ν-νD2)为碱金属原子D2线Voigt线形；Im表示取复数的虚数部分。
8.根据权利要求7所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法，其特征在于，所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。
9.根据权利要求7所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法，其特征在于，所述碱金属气室中包含缓冲气体氮气与淬灭气体氦气，氮气气压不小于1atm，氦气气压为50Torr左右。
10.根据权利要求7所述的SERF原子磁强计的电子极化率双轴原位测量方法，其特征在于，步骤2中的SERF原子磁强计进入正常工作状态下，抽运激光器发射出激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线中心；检测激光器发射出激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113639883A (zh) * 2021-08-18 2021-11-12 之江实验室 一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布原位测量系统及方法
CN113740786A (zh) * 2021-09-01 2021-12-03 西安交通大学 一种单光束serf原子磁强计碱金属原子密度测量方法
CN113777106A (zh) * 2021-09-14 2021-12-10 之江实验室 一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统及方法
CN114199277A (zh) * 2021-11-11 2022-03-18 北京自动化控制设备研究所 原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统
CN114895729A (zh) * 2022-05-16 2022-08-12 上海理工大学 一种基于原位控制的碱金属气室激光加热装置
US11867778B2 (en) 2021-09-14 2024-01-09 Zhejiang Lab System and method for testing spatial distribution uniformity of alkali metal atom number density of atom magnetometer

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090237666A1 (en) * 2006-09-15 2009-09-24 Frank Vollmer Methods and devices for measurements using pump-probe spectroscopy in high-q microcavities
CN103162836A (zh) * 2013-03-15 2013-06-19 北京航空航天大学 一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置及方法
CN103438877A (zh) * 2013-09-02 2013-12-11 北京航空航天大学 一种基于serf原子自旋效应的惯性和磁场一体化测量方法
US20130328557A1 (en) * 2012-06-06 2013-12-12 Northrop Grumman Systems Corporation Nuclear magnetic resonance probe system
CN103604429A (zh) * 2013-11-19 2014-02-26 北京航空航天大学 一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置
EP2749895A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-02 Northrop Grumman Guidance and Electronics Company, Inc. Systems and method to mitigate AC stark shift effects in a sensor system
CN104062608A (zh) * 2014-05-20 2014-09-24 东南大学 一种serf原子自旋磁强计光位移消除方法
CN104215553A (zh) * 2014-09-05 2014-12-17 北京航空航天大学 一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置
CN104833690A (zh) * 2015-06-04 2015-08-12 中国人民解放军国防科学技术大学 一种原子核磁共振陀螺碱金属原子极化率实时测量方法
CN105301541A (zh) * 2015-11-16 2016-02-03 东南大学 原子磁强计的磁线圈x、y轴非正交角的测量装置与方法
US20160061913A1 (en) * 2014-08-29 2016-03-03 Canon Kabushiki Kaisha Optically pumped atomic magnetometer and magnetic sensing method
CN106443520A (zh) * 2016-11-09 2017-02-22 北京航空航天大学 一种双轴原子自旋磁强计
CN108693488A (zh) * 2018-04-09 2018-10-23 北京航空航天大学 一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置
CN110568381A (zh) * 2019-09-09 2019-12-13 北京航空航天大学 基于双光束三轴矢量原子磁强计光磁非正交角原位测量方法
CN110879374A (zh) * 2019-11-26 2020-03-13 北京航空航天大学 一种单光束自旋极化和检测方法
CN111596237A (zh) * 2020-06-01 2020-08-28 北京未磁科技有限公司 原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090237666A1 (en) * 2006-09-15 2009-09-24 Frank Vollmer Methods and devices for measurements using pump-probe spectroscopy in high-q microcavities
US20130328557A1 (en) * 2012-06-06 2013-12-12 Northrop Grumman Systems Corporation Nuclear magnetic resonance probe system
EP2749895A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-02 Northrop Grumman Guidance and Electronics Company, Inc. Systems and method to mitigate AC stark shift effects in a sensor system
CN103162836A (zh) * 2013-03-15 2013-06-19 北京航空航天大学 一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置及方法
CN103438877A (zh) * 2013-09-02 2013-12-11 北京航空航天大学 一种基于serf原子自旋效应的惯性和磁场一体化测量方法
CN103604429A (zh) * 2013-11-19 2014-02-26 北京航空航天大学 一种基于K-Rb-Ne的原子惯性和磁场的同步测量装置
CN104062608A (zh) * 2014-05-20 2014-09-24 东南大学 一种serf原子自旋磁强计光位移消除方法
US20160061913A1 (en) * 2014-08-29 2016-03-03 Canon Kabushiki Kaisha Optically pumped atomic magnetometer and magnetic sensing method
CN104215553A (zh) * 2014-09-05 2014-12-17 北京航空航天大学 一种碱金属蒸汽的原子密度与极化率一体化测量装置
CN104833690A (zh) * 2015-06-04 2015-08-12 中国人民解放军国防科学技术大学 一种原子核磁共振陀螺碱金属原子极化率实时测量方法
CN105301541A (zh) * 2015-11-16 2016-02-03 东南大学 原子磁强计的磁线圈x、y轴非正交角的测量装置与方法
CN106443520A (zh) * 2016-11-09 2017-02-22 北京航空航天大学 一种双轴原子自旋磁强计
CN108693488A (zh) * 2018-04-09 2018-10-23 北京航空航天大学 一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置
CN110568381A (zh) * 2019-09-09 2019-12-13 北京航空航天大学 基于双光束三轴矢量原子磁强计光磁非正交角原位测量方法
CN110879374A (zh) * 2019-11-26 2020-03-13 北京航空航天大学 一种单光束自旋极化和检测方法
CN111596237A (zh) * 2020-06-01 2020-08-28 北京未磁科技有限公司 原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JUNDI LI ET AL.: "SERF Atomic Magnetometer–Recent Advances and Applications: A Review", 《IEEE SENSORS JOURNAL 》 *
尚慧宁 等: "基于光偏振旋转效应的碱金属气室原子极化率测量方法及影响因素分析", 《光谱学与光谱分析》 *
房建成 等: "基于原子自旋效应的超高灵敏度惯性和磁场测量技术研究进展", 《第十三届全国敏感元件与传感器学术会议论文集》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113639883A (zh) * 2021-08-18 2021-11-12 之江实验室 一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布原位测量系统及方法
CN113740786A (zh) * 2021-09-01 2021-12-03 西安交通大学 一种单光束serf原子磁强计碱金属原子密度测量方法
CN113777106A (zh) * 2021-09-14 2021-12-10 之江实验室 一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统及方法
WO2023040403A1 (zh) * 2021-09-14 2023-03-23 之江实验室 一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统及方法
US11867778B2 (en) 2021-09-14 2024-01-09 Zhejiang Lab System and method for testing spatial distribution uniformity of alkali metal atom number density of atom magnetometer
CN114199277A (zh) * 2021-11-11 2022-03-18 北京自动化控制设备研究所 原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统
CN114199277B (zh) * 2021-11-11 2023-08-15 北京自动化控制设备研究所 原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统
CN114895729A (zh) * 2022-05-16 2022-08-12 上海理工大学 一种基于原位控制的碱金属气室激光加热装置
CN114895729B (zh) * 2022-05-16 2023-08-29 上海理工大学 一种基于原位控制的碱金属气室激光加热装置

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