CN114019429A - 一种基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置及方法 - Google Patents

一种基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置及方法 Download PDF

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周飞
章嘉伟
李加冲
王彬
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Abstract

本发明公开了一种基于钙‑40离子测量微弱高频交变磁场的装置及方法，该装置包括真空室以及设置在真空室外围的磁场线圈和真空维持装置，所述磁场线圈用于在真空室内产生磁场，所述真空位置装置用于维持真空室内的真空，所述真空室分布有八个窗口，其中五个CF63窗口，三个CF35窗口，所述CF35窗口的尺寸小于所述CF63窗口的尺寸；本发明可实现高频高灵敏度的磁场测量，钙‑40离子能级结构简洁，操控激光波长友好。只需要运用激光对离子进行能量耗散而达到冷却的效果。由于整个系统处于超高真空的状态，离子能长时间稳定地处于电磁势阱中，并且可以高精度地被激光操控。

Description

一种基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置及方法
技术领域
本发明涉及离子阱磁力仪实验领域，具体涉及一种基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置及方法。
背景技术
微弱磁场的高精度测量技术广泛应用于地球物理勘探、地震监测与预测、航空磁测绘、地磁匹配导航、考古、海事打捞等方面，也广泛应用于反潜、磁引信、磁导航等军事用途。目前用于弱磁场测量的磁力仪主要有机械式磁力仪、磁通门磁力仪、光泵磁力仪、超导量子磁力仪等。但是，这些磁力仪的频率测量范围都集中于静磁场或低频磁场。相比对低频磁场的精密测量，对微弱高频磁场的精密测量是一件相当困难的事情。
专利文献CN109814049A所公开的基于43Ca+离子测量微弱高频交变磁场的装置及方法，该方案是基于钙-43离子，并不适用于钙-40离子。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置及方法，以合于精密测量室温环境下非常微弱的交变磁场。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一方面，本发明提供一种基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，包括真空室以及设置在真空室外围的磁场线圈和真空维持装置，所述磁场线圈用于在真空室内产生磁场，所述真空位置装置用于维持真空室内的真空，
所述真空室分布有八个窗口，其中四个CF63窗口，四个CF35窗口，八个窗口分别为第一CF63窗口、第二CF35窗口、第三CF63窗口、第四CF35窗口、第五CF63窗口、第六CF35窗口、第七CF63窗口和第八CF35窗口；所述CF35窗口的尺寸小于所述CF63窗口的尺寸；
所述第一CF63窗口用于入射光电离激光；
所述第二CF35窗口用于入射态制备激光；
所述第三CF63窗口和第七CF63窗口用于离子荧光采集；
所述第四CF35窗口用于入射多普勒冷却激光；
所述第五CF63窗口用于入射回泵激光；
所述第六CF35窗口和第八CF35窗口用于入射缀饰态驱动激光；
所述下CF35窗口用于入射多普勒冷却激光；
所述上CF35窗口用于入射态探测激光。
进一步地，所述第二CF35窗口与第六CF35窗口外侧分别安装有所述磁场线圈。
进一步地，所述真空维持装置包括复合泵、真空计和真空角阀，三者相连通后和真空室相连，以将真空室内的真空度维持在目标值。
进一步地，在所述真空室的顶面设置有上CF150法兰，真空室的底面设置有下CF150法兰，CF150法兰上安装有射频馈通，射频馈通与射频电极连接，有直流馈通，直流馈通分别与直流电极以及微运动补偿电极连接。
进一步地，所述复合泵、真空计和真空角阀三者相连通后通过第五CF35窗口连接至真空室。
进一步地，所述目标值为8.0×10-9Pa。
另一方面，本发明提供一种基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的方法，利用上述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，所述方法包括：
步骤1、从第一CF63窗口入射光电离激光到线形离子阱中心，光电离激光与钙-40原子相互作用，产生钙-40离子；
步骤2、被囚禁的钙-40离子经第四CF35窗口和下CF35窗口入射的多普勒冷却激光同时照射冷却到1mK以下；
步骤3、从第二CF35窗口入射态制备激光到离子囚禁区的中心对钙-40离子进行初态制备；
步骤4、从第六CF35窗口入射左旋圆偏缀饰态驱动激光，与从第八CF35窗口入射的右旋圆偏缀饰态驱动激光同时作用，将钙-40离子制备初态到被保护量子比特空间；
步骤5、确定第二CF35窗口与第六CF35窗口安装的磁场线圈产生的静磁场的磁感应强度B，待测交变磁场为Bgcoh(2πvgt)，施加静磁场产生Zeeman劈裂与待测交变磁场共振，即：
Figure BDA0003367378500000021
步骤6、利用从上CF35窗口入射的态探测激光，以及从第五CF63窗口入射的回泵激光，测出离子处在能级|d>随着时间演化的布居概率，确定待测交变磁场激发被保护量子比特空间中暗态Rabi振荡频率Ωg。
进一步地，步骤1中，从第一CF63窗口入射光电离激光的波长有两种，分别为375nm和423nm。
进一地，步骤2中，经第四CF35窗口入射的多普勒冷却激光的波长为397nm，经下CF35窗口入射的多普勒冷却激光的波长为866nm。
进一地，步骤2中，步骤6中，上CF35窗口入射的态探测激光波长为732nm
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明可实现高频高灵敏度的磁场测量。本发明中，离子阱整体系统处于室温，钙-40离子能级结构简洁，操控激光波长友好。只需要运用激光对离子进行能量耗散而达到冷却的效果。由于整个系统处于超高真空的状态，离子能长时间稳定地处于电磁势阱中，并且可以高精度地被激光操控。因此，是一个结构简洁、环境纯净且技术成熟的量子系统，非常适合作为一个测量装置。
测量过程中通过调节静磁场，使离子产生的能级劈裂与微弱交变磁场的频率相匹配。同时，该微弱磁场使系统在不同本征态之间发生振荡。通过测量振荡的频率，就能探测到交变磁场的幅度大小。本发明采用恰当的工作区域(制备在被保护量子态子空间)，抑制由于偏置静磁场的微小抖动造成的共振信号偏离，保证本方案在非理想条件下能够正常工作。
本发明与专利文献CN109814049A所公开的“基于43Ca+离子测量微弱高频交变磁场的装置及方法”的区别首先在于本发明采用的是钙-40离子，上一个申请是钙-43离子。相较于钙-43离子，钙-40离子的能级结构更简单，对激光器的需求更少，且不需要微波操作。通过设计和构建被保护的量子态，也可以实现对微弱交变磁场的探测。钙-43元素自然丰度极低，价格高昂，而钙-40元素自然丰度高，价格便宜，更适合降低成本。第二个区别是真空室和真空维持装置进行的进一步的优化，减小了体积，提高了效率。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置整体结构示意图；
图2为本发明本发明实施例1提供的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置的俯视结构示意图；
图3为本发明所用的离子能级结构示意图；
图4为本发明的离子能级基态在静磁场下的劈裂及跃迁示意图；
图5为不同频率的交变磁场与静磁场大小关系示意图；
图6不同频率的交变磁场与耦合强度最大值的关系示意图；
图7为测量灵敏度与待测交变磁场频率的关系示意图。
图中：1、第一CF63窗口；2、第二CF35窗口；3、第三CF63窗口；4、第四CF35窗口；5、第五CF63窗口；6、第六CF35窗口；7、第七CF63窗口；8、第八CF35窗口；9、磁场线圈；10、上CF150法兰；11、直流馈通；12、射频馈通；13、上CF35窗口；14真空角阀；15、真空计；16、复合泵；17、下CF150法兰；18、下CF35窗口。
具体实施方式
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”、“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、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说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的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1：
参阅图1、2所示，本实施例提供的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置包括真空室以及设置在真空室外围的磁场线圈和真空维持装置。
该真空室上均匀分布有第一CF63窗口1、第二CF35窗口2、第三CF63窗口3、第四CF35窗口4、第五CF63窗口5、第六CF35窗口6、第七CF63窗口7和第八CF35窗口8，真空室的顶面设置有上CF150法兰10，真空室的底面设置有下CF150法兰17。其中，CF35窗口的尺寸小于CF63窗口，也就是说，与专利文献CN109814049A的方案相比，本申请的真空室体积体积变小，部分CF63窗口变为尺寸更小的CF35窗口。
该第一CF63窗口1用于入射光电离激光；该第二CF35窗口2用于入射态制备激光；该第二CF35窗口3与第六CF35窗口6外侧分别安装有磁场线圈9，如此，测量过程中通过调节静磁场，使离子产生的能级劈裂与微弱交变磁场的频率相匹配；该第三CF63窗口3和第七CF63窗口7用于离子荧光采集；该第四CF35窗口4用于入射多普勒冷却激光；该第五CF63窗口5用于入射回泵激光；该第六CF35窗口6和第八CF35窗口8用于入射缀饰态驱动激光；该下CF35窗口18用于入射多普勒冷却激光，上CF35窗口13用于入射态探测激光。
上述的上CF150法兰10上安装有射频馈通12，射频馈通12与射频电极连接，有直流馈通11，直流馈通11分别与直流电极以及微运动补偿电极连接。
具体地，上述的真空维持装置包括复合泵16、真空计15和真空角阀14，三者相连通后通过第五CF35窗口5和真空室相连，以将真空室内的真空度维持在8.0×10-9Pa左右。与专利文献CN109814049A的方案相比本申请使用复合泵16取代了离子泵、吸气剂泵和升华泵，减小了装置体积，降低了成本。
实施例2：
钙-40离子能级在静磁场下会展现塞曼劈裂，见图5(相较于专利文献CN109814049A，本申请使用基于钙-40离子的磁场测量方案，利用钙-40离子简单易操控的能级结构，构造被保护量子态子空间，简化了磁场测量方法)。假设待测交变磁场具有如下形式：Bg(t)＝Bgcos(2πvgt)，其中交变磁场频率vg等于静磁场在D3/2能级的相邻Zeeman子能级劈裂的频率差，即：2πυg＝gDμBB，t为时间变量，待测交变磁场的振幅Bg是待测量。
具体地，本实施例提供的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的方法基于实施例1所述的装置，具体包括如下步骤：
步骤1、从第一CF63窗口1垂直入射光电离激光(375nm和423nm)入射到线形离子阱中心，光电离激光与钙-40原子相互作用，产生钙离子。
步骤2、被囚禁的钙-40离子受到第四CF63窗口4和下CF35窗口18入射的多普勒冷却激光(397nm和866nm)的同时照射，用于将钙-40离冷却到1mK以下。
步骤3、从第二CF35窗口2垂直入射到离子囚禁区的中心的态制备激光将离子制备初态到S1/2态。
步骤4、从第六CF35窗口6入射左旋圆偏缀饰态驱动激光，与从第八CF35窗口8入射的右旋圆偏缀饰态驱动激光同时作用，将钙-40离子制备初态到被保护量子比特空间；本申请涉及到的能级和被保护子空间，见图4，使用866nm激光驱动
Figure BDA0003367378500000051
当驱动|d1>和|d3>到|p1>以及|d0>和|d2>到|p0>跃迁的两束激光场强度相同时，形成被保护子空间。如此，采用恰当的工作区域(制备在被保护量子态子空间)，抑制由于偏置静磁场的微小抖动造成的共振信号偏离，保证本方案在非理想条件下也能够正常工作，保证测量结果的准确性。
步骤5、要使待测交变磁场与D3/2能级的相邻Zeeman子能级跃迁共振，可以通过调节第二CF35窗口2与第六CF35窗口6安装的磁场线圈9的磁感应强度。所需加的静磁场的磁感应强度B可以通过改变加载在磁场线圈9上的电流来获得。实验中施加的静磁场产生的Zeeman劈裂与待测磁场的频率共振。不同频率的交变磁场与静磁场大小关系如图5所示。如此，测量过程中通过调节静磁场，使离子产生的能级劈裂与微弱交变磁场的频率相匹配。同时，该微弱磁场使系统在不同本征态之间发生振荡。通过测量振荡的频率，就能探测到交变磁场的幅度大小。
步骤6、利用从上CF35窗口13入射的态探测激光(732nm)，以及从第五CF63窗口5入射的回泵激光(866mm)，可以测出处在能级|d>随着时间演化的布居概率。经过一段时间的测量，可以测量到|D2/3>态子能级间Rabi振荡曲线，通过Rabi振荡曲线计算出其Rabi振荡频率，从而得到待测磁场强度Bg。
两相邻Zeeman能级之间的耦合强度需要满足
Figure BDA0003367378500000061
Figure BDA0003367378500000062
在
Figure BDA0003367378500000063
Figure BDA0003367378500000064
条件下，不同频率的交变磁场与耦合强度最大值的关系如图6所示。
由图6所示，在待测交变磁场的频率vg处于0-100MHz范围内，依据上述步骤可以测得待测交变磁场的振幅Bg的范围为μT量级。测量的灵敏度定义为
Figure BDA0003367378500000065
Figure BDA0003367378500000066
其中灵敏度
Figure BDA00033673785000000613
单位为
Figure BDA0003367378500000067
可以定出
Figure BDA0003367378500000068
与νg的关系，如图7所示。若能保证Rabi振荡的持续时间Tg达到秒的量级，测量灵敏度
Figure BDA00033673785000000614
可以达到
Figure BDA0003367378500000069
对于特定的测量，由于Rabi振荡的时间可以根据实际情况来选取，灵敏度
Figure BDA00033673785000000610
可以通过
Figure BDA00033673785000000611
再除以
Figure BDA00033673785000000612
得到。
由此可见，在本方法中用到五种波长激光，分别为375nm、423nm、397nm、866nm和732nm，与专利文献CN109814049A的方案相比，本方法所使用的激光器数量更少，且不需要微波，减小了装置的复杂性，也降低了成本。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，包括真空室以及设置在真空室外围的磁场线圈和真空维持装置，所述磁场线圈用于在真空室内产生磁场，所述真空位置装置用于维持真空室内的真空，其特征在于，
所述真空室分布有八个窗口，其中四个CF63窗口，四个CF35窗口，八个窗口分别为第一CF63窗口、第二CF35窗口、第三CF63窗口、第四CF35窗口、第五CF63窗口、第六CF35窗口、第七CF63窗口和第八CF35窗口；所述CF35窗口的尺寸小于所述CF63窗口的尺寸；
所述第一CF63窗口用于入射光电离激光；
所述第二CF35窗口用于入射态制备激光；
所述第三CF63窗口和第七CF63窗口用于离子荧光采集；
所述第四CF35窗口用于入射多普勒冷却激光；
所述第五CF63窗口用于入射回泵激光；
所述第六CF35窗口和第八CF35窗口用于入射缀饰态驱动激光；
所述下CF35窗口用于入射多普勒冷却激光；
所述上CF35窗口用于入射态探测激光。
2.如权利要求1所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，其特征在于，所述第二CF35窗口与第六CF35窗口外侧分别安装有所述磁场线圈。
3.如权利要求1所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，其特征在于，所述真空维持装置包括复合泵、真空计和真空角阀，三者相连通后和真空室相连，以将真空室内的真空度维持在目标值。
4.如权利要求1所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，其特征在于，在所述真空室的顶面设置有上CF150法兰，真空室的底面设置有下CF150法兰，CF150法兰上安装有射频馈通，射频馈通与射频电极连接，有直流馈通，直流馈通分别与直流电极以及微运动补偿电极连接。
5.如权利要求3所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，其特征在于，所述复合泵、真空计和真空角阀三者相连通后通过第五CF35窗口连接至真空室。
6.如权利要求3或5所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，其特征在于，所述目标值为8.0×10-9Pa。
7.基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的方法，利用权利要求4所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的装置，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、从第一CF63窗口入射光电离激光到线形离子阱中心，光电离激光与钙-40原子相互作用，产生钙-40离子；
步骤2、被囚禁的钙-40离子经第四CF35窗口和下CF35窗口入射的多普勒冷却激光同时照射冷却到1mK以下；
步骤3、从第二CF35窗口入射态制备激光到离子囚禁区的中心对钙-40离子进行初态制备；
步骤4、从第六CF35窗口入射左旋圆偏缀饰态驱动激光，与从第八CF35窗口入射的右旋圆偏缀饰态驱动激光同时作用，将钙-40离子制备初态到被保护量子比特空间；
步骤5、确定第二CF35窗口与第六CF35窗口安装的磁场线圈产生的静磁场的磁感应强度B，待测交变磁场为Bgcos(2πvgt)，施加静磁场产生Zeeman劈裂与待测交变磁场共振，即：
Figure FDA0003367378490000021
步骤6、利用从上CF35窗口入射的态探测激光，以及从第五CF63窗口入射的回泵激光，测出离子处在能级|d>随着时间演化的布居概率，确定待测交变磁场激发被保护量子比特空间中暗态Rabi振荡频率Ωg。
8.如权利要求7所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的方法，其特征在于，步骤1中，从第一CF63窗口入射光电离激光的波长有两种，分别为375nm和423nm。
9.如权利要求7所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的方法，其特征在于，步骤2中，经第四CF35窗口入射的多普勒冷却激光的波长为397nm，经下CF35窗口入射的多普勒冷却激光的波长为866nm。
10.如权利要求7所述的基于钙-40离子测量微弱高频交变磁场的方法，其特征在于，步骤6中，上CF35窗口入射的态探测激光波长为732nm。
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