CN113740786A - 一种单光束serf原子磁强计碱金属原子密度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光束SERF原子磁强计及碱金属原子密度测量方法，所述方法包括以下步骤：首先，将单光束SERF原子磁强计中心位置三个方向的磁场强度补偿到零，加热碱金属气室，使碱金属原子达到SERF态；然后沿一个敏感轴方向施加恒定的直流磁场，沿另一个敏感轴方向施加带调制的偏置磁场，连续变化且过零点的偏置磁场，记录磁强计的输出信号，会得到具有色散线型的磁场共振曲线，进而得到沿X轴方向上不同直流磁场下的磁场共振线宽大小；通过二次函数拟合得到磁场共振线宽与直流磁场大小的关系；最后利用二次函数的二次项系数计算得到碱金属原子密度，从而实现碱金属原子密度的原位测量。

Description

一种单光束SERF原子磁强计碱金属原子密度测量方法

技术领域

本发明属于量子精密测量领域技术领域，具体涉及一种单光束SERF原子磁强计及碱金属原子密度测量方法。

背景技术

无自旋交换弛豫(SERF，spin exchange relaxation free)原子磁强计作为目前灵敏度最高的磁场探测器，在暗物质探测等前沿基础科学研究、矿产资源勘探以及心脑磁源成像生物医学等领域具有重大的应用价值。SERF原子磁强计是通过测量极化的碱金属原子在磁场中的拉莫尔进动频率来实现矢量磁场测量。碱金属原子的密度直接影响原子磁强计的信噪比和灵敏度，因此，准确且快速地原位测量碱金属原子密度具有重要的意义。常用的原子密度测量方法是激光光谱吸收法，但是该方法受到压致展宽的限制，因而不能准确的测量密封气室内的碱金属原子密度。目前，有关用于单光束SERF原子磁强计的碱金属原子密度测量方法，未见公开报道。

同时，由于单光束配置的SERF原子磁强计仅需要使用单个泵浦和探测光束就能同时实现原子的极化和探测，相比双光束配置来说，具有结构简单、成本低、易于集成化和微型化等优势，获得了国内外许多研究机构的青睐。近年来国内北京航空航天大学、西安交通大学等单位也开展了相关工作的研究，但是由于国内起步较晚，基础尚薄弱，需要在提高原子磁强计的灵敏度方面做出努力。

SERF原子磁强计由散粒噪声限制的理论极限灵敏度δB为：

其中，γ是电子的旋磁比，_n是碱金属原子密度，T₂是碱金属原子的横向自旋弛豫时间，V是碱金属气室体积，t是测量时间。从上式(1)中可以看出，碱金属原子密度_n与磁强计的灵敏度直接相关，因此原位、精确、快速地测量碱金属原子密度，成为了提升SERF原子磁强计灵敏度的关键因素，并为整个原子磁强计系统的实现和性能的优化提供了重要的理论参考。

发明内容

本发明针对SERF原子磁强计中碱金属原子密度直接会影响磁强计系统的灵敏度这一问题，提出了一种适用于单光束SERF原子磁强计的碱金属原子密度测量方法，为从理论上提升MEMS原子磁强计的信噪比和灵敏度提供参考与依据。

为达到上述目的，本发明一种单光束SERF原子磁强计，包括DFB泵浦激光器、光纤耦合器、平凸透镜、λ/4波片、光电探测器、碱金属气室、信号处理模块和高功率激光器；DFB泵浦激光器发出的激光依次经过光纤耦合器、平凸透镜、λ/4波片和碱金属气室，被光电探测器探测；信号处理模块用于采集和处理光电探测器输出的光强信号；高功率激光器用于加热碱金属气室；碱金属气室外设置有用于向碱金属气室施加磁场的第一线圈、第二线圈和第三线圈；第一线圈、第二线圈和第三线圈的中轴线相互垂直。

进一步的，DFB泵浦激光器和光纤耦合器之间连接有单模保偏光纤。

进一步的，信号处理模块包括依次连接的跨阻放大器、锁相放大器和数据采集卡。

基于上述的原子磁强计的碱金属原子密度测量方法，包括以下步骤：

S1、加热碱金属气室，提高碱金属原子密度，使其中的碱金属原子达到SERF态；

S2、沿原子磁强计的第一个敏感轴方向施加恒定的直流磁场，沿第二个敏感轴方向施加带调制的偏置磁场，连续变化且过零点的偏置磁场的大小，记录经过原子磁强计的的碱金属气室10的泵浦光的光强信号，得到具有色散线型的磁场共振曲线，获得在恒定的直流磁场下的共振线宽；

S3、变化施加的直流磁场，并重复S2过程，进而得到沿第一个敏感轴方向上不同直流磁场下的磁场共振线宽；

S4、通过二次函数拟合得到磁场共振线宽与直流磁场大小的二次函数，得到二次函数的二次项系数；

S5、利用二次函数的二次项系数计算得到碱金属原子密度。

进一步的，S1中，碱金属原子达到SERF态后，将单光束SERF原子磁强计中心位置的磁场强度精确补偿到零。

进一步的，当光电探测器的探测到的光强不再发生变化时，再执行S2。

进一步的，S4中，二次函数形式为：

其中，ΔB为磁场共振线宽，_a是二次项拟合系数，b是一次项拟合系数，_c是常数项。

进一步的，S5中，通过下式计算碱金属原子密度：

其中，γ^e是裸漏电子的旋磁比，I是碱金属原子的核自旋量子数，q(0)是极化率为零的条件下的核减慢因子，a是二次项拟合系数，σ_se是碱金属原子之间的自旋交换碰撞截面积，v是碱金属原子之间相对热运动速度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所述的原子磁强计，包括DFB泵浦激光器、光纤耦合器、平凸透镜、λ/4波片、光电探测器、碱金属气室、线圈、信号处理模块和高功率激光器，可利用DFB泵浦激光器发射激光极化气室中的碱金属原子，利用放置在碱金属气室中不同方向的线圈向碱金属气室施加直流磁场或偏置磁场，根据变化不同磁场时，输出的光强信号的变化来计算得到碱金属原子密度，从而实现碱金属原子密度的原位测量。

进一步的，所述DFB泵浦激光器和光纤耦合器之间连接有单模保偏光纤，单光束SERF原子磁强计系统利用光纤耦合结构将光束传输至磁强计探头，对传感器探头的安装位置约束小，这样可以自由灵活的确定与被测磁场源之间的相对位置。

1)提供了一种原位、精确、快速的原子密度测量方法，该方法只需要测量不同直流磁场下的碱金属原子响应的磁场共振线宽，且建立的碱金属密度只与拟合的共振线宽与直流磁场函数的二次项系数有关，其他的参数都是常量，因此可以精确地快速测量碱金属原子密度，为SERF原子磁强计灵敏度改善提供了一种理论和实验依据；

2)该方法仅利用单光束磁强计系统本身就可以实现碱金属密度的原位测量，不需要额外的光学元件，具有结构简单、集成化高、自由灵活、成本低以及微型化等优势。

3)该方法为单光束SERF原子磁强计性能改善及系统集成提供了参考，使原子磁强计系统更易于集成化和微型化，进而为芯片化磁强计在心脑磁成像等生物医学领域的应用提供了指导。

附图说明

图1为单光束SERF原子磁强计的原子密度测量的原理图；

图2为393K下磁场共振线宽与X方向直流磁场的关系。

附图中：1、DFB泵浦激光器，2、单模保偏光纤，3、光纤耦合器，4、平凸透镜，5、λ/4波片，61、第一线圈，62、第二线圈，63、第三线圈，7、光电探测器，8、滤光片，9、多模光纤，10、碱金属气室，11、跨阻放大器，12、锁相放大器，13、数据采集卡，14、高功率激光器。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以单光束Cs原子SERF原子磁强计为例，来具体说明利用本发明实现原位测量碱金属原子密度的方法。

参照图1，一种原子磁强计，包括DFB泵浦激光器1、单模保偏光纤2、光纤耦合器3、平凸透镜4、λ/4波片5、第一线圈61、第二线圈62、第三线圈63、光电探测器7、滤光片8、多模光纤9、碱金属气室10、跨阻放大器11、锁相放大器12、数据采集卡13和高功率激光器14。

其中，DFB泵浦激光器1通过单模保偏光纤2和光纤耦合器3连接，高功率激光器14通过多模光纤9和滤光片8连接，滤光片8安装在碱金属气室10的侧壁外，碱金属气室10的六个侧面分别设置有一个线圈，分别是：两个分别位于碱金属气室10上方和下方的第一线圈61、两个分别位于碱金属气室10前侧和后侧的第二线圈62，以及两个分别位于碱金属气室10左侧和右侧的第三线圈63。第一线圈61所在的平面垂直于X方向，第二线圈62所在的平面垂直于Y方向，第三线圈63所在的平面垂直于Z方向，Z方向为泵浦光传播方向。

DFB泵浦激光器1发射的激光依次经过单模保偏光纤2、光纤耦合器3、平凸透镜4、λ/4波片5、碱金属气室10、光电探测器7、跨阻放大器11、锁相放大器12和数据采集卡13。

其中，光纤耦合器3用于传输泵浦光，平凸透镜4用于准直激光光束，λ/4波片5用于把线偏振光变成圆偏振光。

一种单光束SERF原子磁强计的碱金属原子密度测量方法，包括以下步骤：

步骤1、按照利用如图1所示的光路图搭建原子磁强计原子密度的实验平台；将单光束SERF原子磁强计X、Y和Z三个方向的磁场强度分别利用第一线圈61、第二线圈62和第三线圈63精确补偿到零；

步骤2、打开高功率激光器14，高功率激光器14发射的激光经过多模光纤9到达滤光片8，通过滤光片8吸光对碱金属气室10进行加热，将碱金属气室10加热至393K，并等待一段时间，直至光电探测器探测到的光强不再发生变化，即原子磁强计系统状态保持稳定，实现碱金属原子SERF态所需要的环境；

步骤3、在满足可检测磁强计最小输出信号的低极化率条件下，由DFB泵浦激光器1发射激光，此时泵浦光强为10uW，首先，向第一线圈61通直流电，使其向碱金属气室10施加恒定直流磁场，直流磁场的方向和X轴平行；然后通过第二线圈62向方向施加带调制的偏置磁场，连续改变Y方向的偏置磁场的大小，使得偏置磁场有过零点的变化，变化步长1nT--10nT，次数大于10；此时从DFB泵浦激光器1发射的激光依次经过单模保偏光纤2、光纤耦合器3、平凸透镜4、λ/4波片5和碱金属气室10，之后被光电探测器7探测到，光电探测器7输出能够反映光强的电流信号，所述电流信号经阻放大器11转变为电压信号并放大，然后输出至锁相放大器12，并利用锁相放大器12提取出电压信号中的一次谐波信号，并将一次谐波信号发送至数据采集卡(13)，由数据采集卡13进行采集和处理。

在改变Y方向的偏置磁场的大小的过程中记录数据采集卡13采集到的一次谐波信号，得到磁场共振曲线，磁场共振曲线与Y方向偏置磁场大小的关系具有色散线型形式，根据磁场共振曲线得到磁场共振线宽，进而可以得到一组X方向恒定的直流磁场与磁场共振线宽的关系；改变第一线圈61通直流电的大小，其向碱金属气室10施加恒定直流磁场大小也会发生变化,一般小于100nT，并重复上述过程，得到若干组X方向恒定的直流磁场与磁场共振线宽的关系。

在低极化率条件下，由于泵浦光强很低，一般为不超过10uW，泵浦光引起的功率展宽线宽可以忽略不计。

本步骤中，也可以对碱原子气室10施加平行于Y方向的恒定直流磁场，对碱原子气室10施加平行于X方向的偏置磁场。

步骤4、不断变化X方向的直流磁场大小，直流磁场大小,一般小于100nT，并重复上述过程，可以得到8组X方向的直流磁场与磁场共振线宽的关系，并利用二次函数拟合磁场共振线宽与X方向直流磁场大小的关系，如表1所示。

表1

根据表1给出了测量的共振线宽与拟合函数之间的关系，如图2所示，可以得到具有二次函数形式的拟合曲线，该二次函数的二次项系数与碱金属原子密度成比例，拟合公式如下：

其中，ΔB为磁场共振线宽，a是二次项拟合系数，b是一次项拟合系数，c是常数项。从拟合函数中可以得到二次项系数a为0.0024；

共振线宽与X方向磁场的关系具有二次函数的形式，其中二次项系数与原子密度成比例，一次项系数与调制参数相关，常数项是其他的弛豫机制引起的展宽，包括：自旋破坏碰撞弛豫、气室壁碰撞弛豫以及磁场梯度引起的弛豫等。

步骤5、采用公式(2)，可以直接确定特定温度下对应的碱金属原子密度：

其中，γ^e是裸漏电子的旋磁比，I是碱金属原子的核自旋量子数，q(0)是极化率为零的条件下的核减慢因子，σ_se是碱金属原子之间的自旋交换碰撞截面积，v是碱金属原子之间的相对热运动速度。a为0.0024，σ_se为2.1×10^-14cm²，v为353m/s，γ^e为2π×28Hz/nT，I为7/2，q(0)为22。可以得到在393K温度下的对应的Cs原子的蒸汽密度为4.28×10¹³/cm³。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单光束SERF原子磁强计，其特征在于，包括DFB泵浦激光器(1)、光纤耦合器(3)、平凸透镜(4)、λ/4波片(5)、光电探测器(7)、碱金属气室(10)、信号处理模块和高功率激光器(14)；

所述DFB泵浦激光器(1)发出的激光依次经过光纤耦合器(3)、平凸透镜(4)、λ/4波片(5)和碱金属气室(10)，被光电探测器(7)探测；信号处理模块用于采集和处理光电探测器(7)输出的光强信号；所述高功率激光器(14)用于加热碱金属气室(10)；

所述碱金属气室(10)外设置有用于向碱金属气室(10)施加磁场的第一线圈(61)、第二线圈(62)和第三线圈(63)；第一线圈(61)、第二线圈(62)和第三线圈(63)的中轴线相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种单光束SERF原子磁强计，其特征在于，所述DFB泵浦激光器(1)和光纤耦合器(3)之间连接有单模保偏光纤(2)。

3.根据权利要求1所述的一种单光束SERF原子磁强计，其特征在于，所述信号处理模块包括依次连接的跨阻放大器(11)、锁相放大器(12)和数据采集卡(13)。

4.基于权利要求1所述的原子磁强计的碱金属原子密度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、加热碱金属气室，提高碱金属原子密度，使其中的碱金属原子达到SERF态；

S2、沿原子磁强计的第一个敏感轴方向施加恒定的直流磁场，沿第二个敏感轴方向施加带调制的偏置磁场，连续变化且过零点的偏置磁场的大小，记录经过原子磁强计的的碱金属气室10的泵浦光的光强信号，得到具有色散线型的磁场共振曲线，获得在恒定的直流磁场下的共振线宽；

S3、变化施加的直流磁场，并重复S2过程，进而得到沿第一个敏感轴方向上不同直流磁场下的磁场共振线宽；

S4、通过二次函数拟合得到磁场共振线宽与直流磁场大小的二次函数，得到二次函数的二次项系数；

S5、利用二次函数的二次项系数计算得到碱金属原子密度。

5.根据权利要求4所述的碱金属原子密度测量方法，其特征在于，所述S1中，碱金属原子达到SERF态后，将单光束SERF原子磁强计中心位置的磁场强度精确补偿到零。

6.根据权利要求4所述的碱金属原子密度测量方法，其特征在于，当光电探测器的探测到的光强不再发生变化时，再执行S2。

7.根据权利要求4所述的一种单光束SERF原子磁强计的碱金属原子密度测量方法，其特征在于，所述S4中，二次函数形式为：

其中，ΔB为磁场共振线宽，a是二次项拟合系数，b是一次项拟合系数，c是常数项。

8.根据权利要求4所述的碱金属原子密度测量方法，其特征在于，所述S5中，通过下式计算碱金属原子密度：

其中，γ^e是裸漏电子的旋磁比，I是碱金属原子的核自旋量子数，q(0)是极化率为零的条件下的核减慢因子，a是二次项拟合系数，σ_se是碱金属原子之间的自旋交换碰撞截面积，v是碱金属原子之间相对热运动速度。

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