CN113126006A - 一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法 - Google Patents

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张洋
何孟阳
吴梓楠
岳慧敏
欧中华
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Abstract

本发明涉及弱磁探测技术领域，公开一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的方法。本发明采用两束功率，偏振态，光斑大小相同的1550nm激光作为磁力仪中铷原子气室的加热光源。两束加热光从相反的方向射入原子气室中，并且在铷原子气室内的光路重合。本发明所描述的两束加热光的结构可以有效降低加热光对原子气室产生的交流斯塔克效应，交流斯塔克效应可以等效为一种虚拟磁场影响磁力仪性能。两束光分别产生相同且反向的虚拟磁场，由磁场叠加原理，虚拟磁场被抵消。本发明适用于光加热型原子磁力仪系统，光加热型磁力仪发展迅速，前景光明，有利于原子磁力仪触摸测磁灵敏度极限。

Description

一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法
技术领域
本发明涉及弱磁探测技术领域，特别涉及一种基于光加热型的原子磁力仪的性能优化技术。
背景技术
弱磁传感技术发展至今，原子磁力仪已经成为弱磁传感领域中灵敏度最高的传感器。原子磁力仪核心在于原子气室，气室内原子需要D1共振线的光对其泵浦。不断改进半导体技术使可靠、紧凑、廉价和易于配置的二极管激光器层出不穷。产生的致密原子蒸汽的基态弛豫时间较长。这些技术的进步使光学弱磁传感器的性能能够触摸，甚至超过大部分的传统弱磁传感器。原子采用碱金属原子作为工作物质，碱金属原子在气室需要内被加热。因此滋生出多种加热方式。
常见的加热方式有电加热，热空气加热，光加热等。电加热采用交流电对气室进行加热，但是电流的引入会对探测磁场产生影响，带来电磁噪声。热空气加热即向气室周围通入热空气。光加热是利用激光照射附着在气室上的滤光片进行加热，滤光片可以吸收加热光，通常采用1550nm激光作为加热光。因为加热光不会引入额外电磁噪声而受到众多青睐，美国NIST采取光加热的方式成功研制了可用于脑磁测量的原子磁力仪。虽然光加热不会受到电磁噪声，但是加热光会对原子气室内的原子产生交流斯塔克效应，在偏离工作原子共振中心的光就会出现这种效应。这种效应可以等效为一种虚拟磁场将会降低测磁精度。因此，消除加热光对整个系统的影响对于探索磁场灵敏度极限有着重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，将两束偏振态，功率，光束大小都相同的1550nm加热光，从相反的方向入射原子气室，并且两束光在气室内光束重合。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
(a)采用3D打印技术打印磁力仪探头的骨架结构；
(b)在骨架中加入切割完成后的反射镜，分束镜，固定气室以及光纤输出端口；
(c)输入泵浦光，加热光，向气室内入射传播方向相反的两束功率相同的加热光。
具体地，本技术方案步骤(a)中3D打印探头采用Solidworks设计，所用材料为聚碳酸酯材料。
具体地，本技术方案步骤(a)中3D打印探头主体为长80mm，直径21mm的圆柱体。
具体地，本技术方案步骤(b)中骨架上放置分束镜，反射镜位置尺寸设计为6mm*6mm*1.6mm。
具体地，本技术方案步骤(b)中分束镜用作将泵浦光，加热光1比1分光分别作用两个相同的原子气室。
具体地，本技术方案步骤(b)中反射镜1用作反射泵浦光。反射镜2，反射镜3采取镀膜处理只反射加热光，透射泵浦光。用作反射另一个方向加热光。
具体地，本技术方案步骤(b)中放置1550nm加热激光光纤输出端口的圆孔直径为3.3mm，光纤端口本身直径3mm。
具体地，本技术方案步骤(b)中放置795nm泵浦激光光纤输出端口的圆孔直径为2.8mm，光纤端口本身直径2.6mm。
具体地，本技术方案步骤(b)中铷原子气室尺寸4mm*4mm*3mm，铷原子气室表面粘贴滤光片，用作吸收加热光能量。
具体地，本技术方案步骤(b)中铷原子气室利用聚酰亚胺胶带悬浮于胶带，原子气室位置在分束镜，反射镜正中间。
具体地，本技术方案步骤(c)中泵浦光功率7.5mW。
具体地，本技术方案步骤(c)中加热光1功率为700mW,加热光2功率350mW,加热光3功率350mW。
本发明的有益效果是：本发明通过添加双向的加热激光消除交流斯塔克效应，不同于常见的光加热方法，常见的光加热方法采用一束加热光，泵浦光合束，加热光对原子气室产生附加虚拟磁场的作用，减低整体性能。本发明通过在原加热光相反方向加入另一束加热光，使两束光产生的虚拟磁场相互抵消。两束光功率相等并且功率之和等于原单束加热光功率。通过本发明，有效的减少了加热光对整个系统的影响，消除虚拟磁场可以精确控制原子气室环境周围剩磁水平，避免了主动消磁时的误差。保证磁力仪系统向更高的灵敏度进发。本发明的工艺成熟，易于制造，与现有原子磁力仪系统兼容，有利于弱磁探测领域进一步提升灵敏度。
附图说明
图1为本发明3D打印探头侧视图示意图。
图2为本发明3D打印探头整体示意图。
图3为加热光效率与滤光片厚度关系图。
图4为摘要附图。
具体实施方式
以下通过特定的实例说明本发明的安装方式，本领域技术人员可由本说明的内容轻易地了解本发明原理和优势。本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。下面结合具体的实例进一步说明本发明。
实施例
步骤(a)：
调整光路，3D打印探头中泵浦光，加热光1合束成一束光照射反射镜。反射镜1，分束镜与水平面成45度，保证光路垂直入射原子气室。第二束，第三束加热光利用合束镜反射至气室，合束镜分别与水平面成45度与135度，将反射的通光面对准加热光。整个探头侧视图如示意图1。
步骤(b)：
将步骤(a)设计探头打印为实物，剪裁合适的光学器件，将尺寸5mm*5.5mm*1.4mm的分束镜放置于对应的6mm*6mm*1.6mm槽口，胶水固定。将尺寸5mm*5.5mm*1.4mm的反射镜放置于对应的6mm*6mm*1.6mm槽口，胶水固定。将原子气室利用聚酰亚胺胶带悬浮于泵浦光正入射位置，气室表面滤光片利用353ND环氧树脂胶与气室紧密连接。环氧树脂胶在150度条件下固化。原子气室前后通光面贴上滤光片，厚度0.5mm。加热光2，加热光3光纤端口固定于3.3mm圆柱形孔洞中。整体结构如示意图2。
步骤(c)：
加热光1功率700mW，在1550nm激光器的操作界面设定。第一束加热光在分束镜处平均分为350mW，分别作用于两个气室，两个气室的目的是搭建磁场梯度探测系统。第二束，第三束加热光功率350mW，在激光器操作界面设定。每个气室从前后从相反方向通入功率为350mW的加热光用于加热。滤光片能够吸收95％加热光，透射99％泵浦光。并且加热光透过率也与滤光片厚度存在图3所示的关系。加热光产生的虚拟磁场表达式：
Figure BDA0003003620400000031
其中，Φ是加热光光通量，加热光光通量与光功率正相关。A是加热光光斑截面面积，re经典电子半径，c真空光速，
Figure BDA0003003620400000032
振子强度，γe为铷原子旋磁比，
Figure BDA0003003620400000033
为铷原子D2共振线频率，
Figure BDA0003003620400000034
为铷原子D1共振线频率，v为加热光频率。虚拟磁场的方向与光束传播方向相同。当加热光、泵浦光频率、功率固定，虚拟磁场的大小即为定值。本发明中两束加热光产生的虚拟磁场大小相同方向相反，刚好抵消。
上述具体实施例仅是示意性的，并非用于限制本发明。任何熟悉此技术人士，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围内，均可对上述实施例进行修饰或改变，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，其特征在于：采用两束功率、光斑大小、偏振状态相同的加热光从相反方向入射原子气室，包括步骤如下:
(a)采用3D打印技术打印磁力仪探头的骨架结构；
(b)在骨架中加入切割完成后的反射镜，分束镜，固定气室以及光纤输出端口；
(c)输入泵浦光、加热光，向气室内入射传播方向相反的两束功率相同的加热光。
2.根据权利要求1一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，其特征在于：步骤(a)设计的3D打印骨架为聚碳酸酯打印的圆柱体结构。
3.根据权利要求1一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，其特征在于：步骤(b)使用的分束镜能够1比1将加热光与泵浦光分光。
4.根据权利要求1一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，其特征在于：步骤(b)使用的反射镜1能够反射双波长光束；反射镜2，反射镜3反射加热光同时透射泵浦光。
5.根据权利要求1一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，其特征在于：步骤(b)使用原子气室采用正方体气室，正方体气室便于粘贴滤光片，采用圆形或者圆柱形气室也同样适用，滤光片采用RG-9型号，滤光片用作加热气室。
6.根据权利要求1一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，其特征在于：步骤(b)使用的原子气室两侧滤光片厚度一致，保证进入气室两束加热光功率依然相等并且可以使气室均匀加热，厚度为0.4mm-0.9mm为宜。
7.根据权利要求1一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，其特征在于：步骤(c)使用的1550nm加热光功率根据气室内原子种类决定，规律为钾原子气室>铷原子气室>铯原子气室。
8.根据权利要求1一种消除原子磁力仪中交流斯塔克效应的加热结构及方法，其特征在于：步骤(c)两束相同的从相反方向入射的加热光产生的虚拟磁场相互抵消，在铷原子气室中单束光产生的磁场大小表达式为：
Figure FDA0003003620390000011
其中，Φ是加热光光通量，加热光光通量与光功率正相关。A是加热光光斑截面面积，re经典电子半径，c真空光速，
Figure FDA0003003620390000012
振子强度，γe为铷原子旋磁比，
Figure FDA0003003620390000013
为铷原子D2共振线频率，
Figure FDA0003003620390000014
为铷原子D1共振线频率，v为加热光频率。磁场方向与光束传播方向一致。
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