CN114199276A - 原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法及系统，该方法包括：对原子气室内的原子进行抽运以使原子气室内的原子极化共振；检测激光经过偏振分光棱镜分为透射P偏光和反射S偏光；根据透射P偏光的光强实现针对检测激光的光强的PID控制；反射S偏光进入原子气室并输出反射光信号，将反射光信号转换为反射数字信号，将透射P偏光转换为透射数字信号；将透射数字信号与反射数字信号进行差分处理以输出抑制噪声后的原子信号，根据抑制噪声后的原子信号获取原子自旋系综状态下的磁共振相位。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中检测激光引起的信号输出噪声太大以及检测激光输出光强不稳定的技术问题。

Description

原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法及系统

技术领域

本发明涉及原子传感器技术领域，尤其涉及一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法及系统。

背景技术

原子自旋系综状态下磁共振相位是一些原子传感器如核磁共振陀螺的重要工作参数，目前的检测手段主要是通过激光器和光电检测器来实现检测原子自旋系综状态下磁共振相位。在此情况下，为了提高传感器的灵敏度，就必须要提高检测手段的灵敏度，而为了提高检测灵敏度，核心要素就是保证检测激光的稳定性，并且降低检测激光的噪声对检测手段的影响。

检测激光器对原子自旋系综状态的原子信号影响主要有两个方面，一是检测激光的光强，二是检测激光的相位噪声。检测激光器光强影响原子自旋系综状态下原子的信号强度，检测激光的相位噪声主要影响原子自旋系综状态下的磁共振相位。因此，在实际的激光器用于检测原子自旋系综状态下的磁共振相位时，既要保证检测激光器的光强，维持激光器输出的稳定性，从而保证传感器工作的稳定，又要降低检测激光的相位噪声对磁共振相位的影响，实现高灵敏度的精密测量。

目前，常用的用于检测原子自旋系综状态下磁共振相位的激光器主要是半导体激光器，半导体激光器体积小，输出功率高，光强聚焦能力强，但是为了实现高灵敏度的磁共振相位检测，对激光器的要求越来越高。在目前原子传感器追求小体积的大前提下，就目前的激光器技术而言，单一的迫使激光器输出光强稳定方法比较单一且实现手段较为繁琐，不适用于小体积原子传感器如核磁共振陀螺，因此抑制激光器的相位噪声对磁共振相位的影响则是目前能够提高原子传感器灵敏度的主要途径。抑制半导体激光器的相位噪声对磁共振相位的影响可以通过降低半导体激光器噪声和降低噪声对磁共振相位的影响因数两个途径来实现。在目前技术手段下，半导体激光器的造价和激光器的制造技术都是钳制半导体激光器适用于日趋小型化和低成本并追求高灵敏度的量子传感器的主要因素。

发明内容

本发明提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法及系统，能够解决现有技术中检测激光引起的信号输出噪声太大以及检测激光强不稳定的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，磁共振相位检测方法包括：对原子气室内的原子进行抽运以使原子气室内的原子极化共振；检测激光经过偏振分光棱镜分为透射P偏光和反射S偏光；根据透射P偏光的光强实现针对检测激光强的PID控制；反射S偏光进入原子气室并输出反射光信号，将反射光信号转换为反射数字信号，将透射P偏光转换为透射数字信号；将透射数字信号与反射数字信号进行差分处理以输出抑制噪声后的原子信号，根据抑制噪声后的原子信号获取原子自旋系综状态下的磁共振相位。

进一步地，在将透射数字信号与反射数字信号进行差分处理之前，磁共振相位检测方法还包括：对透射数字信号进行分段处理以生成多段透射数字信号，对各段透射数字信号分别进行傅里叶分析处理以计算各段透射数字信号中的信号频率和信号强度，根据各段透射数字信号中的信号频率和信号强度分析检测激光噪声；对反射数字信号进行分段处理以生成多段反射数字信号，对各段反射数字信号分别进行傅里叶分析处理以计算各段反射数字信号中的信号频率和信号强度，根据各段反射数字信号中的信号频率和信号强度分析通过原子气室后的综合噪声，综合噪声包括检测激光噪声和其余干扰噪声；将检测激光噪声和综合噪声进行横向对比分析以确认检测激光器噪声被引入透射数字信号中并且被采集。

进一步地，通过透射P偏光的光强实现针对检测激光强的控制具体包括：判断透射P偏光的光强是否处于设定光强阈值范围内，当透射P偏光的光强未处于设定光强阈值范围内时，调整检测激光的温度，直至透射P偏光的光强处于设定光强阈值范围内。

进一步地，对透射数字信号进行分段处理之后，磁共振相位检测方法还包括：对透射数字信号进行信号放大、低通滤波以及降采样处理；对反射数字信号进行分段处理之后，磁共振相位检测方法还包括：对反射数字信号进行信号放大、低通滤波以及降采样处理。

进一步地，对原子气室内的原子进行抽运以使原子气室内的原子极化共振之前，磁共振相位检测方法还包括：在原子气室外部设置三维磁补偿线圈，原子气室位于三维磁补偿线圈的中心；调整原子气室的温度至设定工作温度，调整驱动激光器的电流和温度以使原子极化率最大。

进一步地，调整原子气室的温度至设定工作温度，调整驱动激光器的电流和温度以使原子极化率最大之前，磁共振相位检测方法还包括：将检测激光器的位置以及偏振分光棱镜的位置进行调整并固定，在透射P偏光所在光路中加入光功率计，采集透射P偏光所在光路的多个透射光强，根据多个透射光强计算获取透射平均光强；在反射S偏光所在光路中加入光功率计，采集反射S偏光所在光路的多个反射光强，根据多个反射光强计算获取反射平均光强，根据透射平均光强和反射平均光强计算获取经过偏振分光棱镜后的光强损耗；当光强损耗超出设定光强损耗阈值时，更换偏振分光棱镜，重复上述步骤，直至光强损耗处于设定光强损耗阈值内。

进一步地，三维磁补偿线圈沿z方向对原子气室施加恒定磁场B0，沿y方向施加频率为f的正弦共振激励磁场。

进一步地，正弦共振激励磁场的频率f可根据f＝γ*B0+f’来获取，其中，γ为原子气室中核自旋的旋磁比，f’为磁场误差量。

根据本发明的又一方面，提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测系统，其特征在于，磁共振相位检测系统包括驱动激光器、检测激光器、三维磁补偿线圈、偏振分光棱镜、光强PID控制模块、信号处理模块、第一光电检测器和第二光电检测器，三维磁补偿线圈设置在原子气室外部，三维磁补偿线圈用于向原子气室提供稳定磁场，驱动激光器用于对原子气室内的原子进行抽运以使原子气室内的原子极化共振，检测激光器用于发出检测激光，偏振分光棱镜用于将检测激光分为透射P偏光和反射S偏光，反射S偏光进入原子气室并输出反射光信号，第一光电检测器用于采集透射P偏光，第二光电检测器用于采集反射光信号，光强PID控制模块用于根据透射P偏光的光强实现针对检测激光强的PID控制，信号处理模块用于将第二光电检测器采集的反射光信号转换为反射数字信号、将第一光电检测器采集的透射P偏光转换为透射数字信号以及将透射数字信号与反射数字信号进行差分处理以输出抑制噪声后的原子信号，磁共振相位检测系统根据抑制噪声后的原子信号获取原子自旋系综状态下的磁共振相位。

进一步地，偏振分光棱镜包括棱镜主体和PBS，PBS设置在棱镜主体上。

应用本发明的技术方案，提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，该方法利用偏振分光棱镜将检测激光分为两个光路，反射回路透过原子气室对极化共振状态下的原子信号进行检测，透射回路直接进行模数转换分析检测激光器本身的噪声，以及通过两路信号进行差分的方式从而差分掉由于检测激光器本身带来的噪声信号，降低信号的本底噪声。该磁共振精密相位检测方法可以有效降低激光器本身带来的信号噪声，并且实现了小体积情况下检测激光器输出光强稳定控制，与现有技术相比，本发明所提供的磁共振相位精密检测方法可以解决检测激光引起的信号输出噪声太大和检测激光输出光强无法控制的技术问题，可以有效降低原子自旋系综系统对检测激光器的要求，提高检测的灵敏度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、驱动激光器；20、检测激光器；30、三维磁补偿线圈；40、偏振分光棱镜；50、信号处理模块；60、第一光电检测器；70、第二光电检测器；100、原子气室。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，该磁共振相位检测方法包括：对原子气室内的原子进行抽运以使原子气室内的原子极化共振；检测激光经过偏振分光棱镜40分为透射P偏光和反射S偏光；根据透射P偏光的光强实现针对检测激光强的PID控制；反射S偏光进入原子气室并输出反射光信号，将反射光信号转换为反射数字信号，将透射P偏光转换为透射数字信号；将透射数字信号与反射数字信号进行差分处理以输出抑制噪声后的原子信号，根据抑制噪声后的原子信号获取原子自旋系综状态下的磁共振相位。

应用此种配置方式，提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，该方法利用偏振分光棱镜将检测激光分为两个光路，反射回路透过原子气室对极化共振状态下的原子信号进行检测，透射回路直接进行模数转换分析检测激光器本身的噪声，以及通过两路信号进行差分的方式从而差分掉由于检测激光器本身带来的噪声信号，降低信号的本底噪声。此外，根据透射P偏光的光强实现针对检测激光强PID控制。该磁共振精密相位检测方法可以有效降低激光器本身带来的信号噪声，并且实现了小体积情况下检测激光器输出光强稳定控制，与现有技术相比，本发明所提供的磁共振相位精密检测方法可以解决检测激光引起的信号输出噪声太大和检测激光输出光强不稳定的技术问题，可以有效降低原子自旋系综系统对检测激光器的要求，提高检测的灵敏度。

进一步地，在本发明中，为了确认由于检测激光器噪声和外界环境波动噪声对输出信号造成的影响，在将透射数字信号与反射数字信号进行差分处理之前，磁共振相位检测方法还包括：对透射数字信号进行分段处理以生成多段透射数字信号，对各段透射数字信号分别进行傅里叶分析处理以计算各段透射数字信号中的信号频率和信号强度，根据各段透射数字信号中的信号频率和信号强度分析检测激光噪声；对反射数字信号进行分段处理以生成多段反射数字信号，对各段反射数字信号分别进行傅里叶分析处理以计算各段反射数字信号中的信号频率和信号强度，根据各段反射数字信号中的信号频率和信号强度分析通过原子气室后的综合噪声，综合噪声包括检测激光噪声和其余干扰噪声，其中，综合噪声是指透过原子气室的检测激光经光电探测器采集滞后的噪声信号，其余干扰噪声包括电加热等噪声；将检测激光噪声和综合噪声进行横向对比分析以确认检测激光器噪声被引入透射数字信号中并且被采集。

在此种配置方式下，通过对透射数字信号进行分段处理以生成多段透射数字信号，对各段透射数字信号分别进行傅里叶分析处理以分析检测激光噪声；对反射数字信号进行分段处理以生成多段反射数字信号，对各段反射数字信号分别进行傅里叶分析处理以分析综合噪声，将检测激光噪声和综合噪声进行横向对比分析以确认由于检测激光器噪声和其余干扰噪声对输出信号造成的影响，在确认了由于检测激光器噪声和其余干扰噪声对输出信号造成的影响的基础上，通过将透射数字信号与反射数字信号进行差分处理可输出抑制噪声后的原子信号，降低输出信号的本底噪声。

具体地，在本发明中，对偏振分光棱镜透射的检测激光信号进行信号处理后分析，截取激光器稳定后的数据并分段切片，每段的时间为T，并做FFT进行分析处理，计算每段信号中的信号频率和信号强度，分析检测激光噪声；截取激光器稳定后的反射数字信号并分段切片，每段的时间为T，并做FFT进行分析处理，计算每段信号中的信号频率和信号强度，分析综合噪声，将检测激光噪声和综合噪声进行横向对比分析以确认由于检测激光器噪声对输出信号造成的影响。

进一步地，为了实现对检测激光输出光强的控制，需要对检测激光光强进行PID控制。在本发明中，通过透射P偏光的光强实现针对检测激光的光强的控制具体包括：判断透射P偏光的光强是否处于设定光强阈值范围内，当透射P偏光的光强未处于设定光强阈值范围内时，调整检测激光的温度，直至透射P偏光的光强处于设定光强阈值范围内。

此外，在本发明中，为了进一步地提高相位检测精度，在对透射数字信号进行分段处理之后，磁共振相位检测方法还包括：对透射数字信号进行信号放大、低通滤波以及降采样处理；对反射数字信号进行分段处理之后，磁共振相位检测方法还包括：对反射数字信号进行信号放大、低通滤波以及降采样处理。

进一步地，在本发明中，为了实现原子极化率最大，对原子气室内的原子进行抽运以使原子气室内的原子极化共振之前，磁共振相位检测方法还包括：在原子气室外部设置三维磁补偿线圈30，原子气室位于三维磁补偿线圈30的中心；调整原子气室的温度至设定工作温度，调整驱动激光器10的电流和温度以使原子极化率最大。

作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，原子气室100在三维磁补偿线圈30的中心，认为磁场稳定，通过加热单元加热原子气室和驱动激光器10使其温度恒定在工作状态。在本实施例中，原子气室温度为100℃，驱动激光器10的温度为80℃，电流为55mA。

在本发明中，为了进一步地提高磁共振相位检测精度，调整原子气室的温度至设定工作温度，调整驱动激光器10的电流和温度以使原子极化率最大之前，磁共振相位检测方法还包括：将检测激光器20位置和偏振分光棱镜40位置进行调整并固定，在透射P偏光所在光路中加入光功率计，采集透射P偏光所在光路的多个透射光强，根据多个透射光强计算获取透射平均光强；在反射S偏光所在光路中加入光功率计，采集反射S偏光所在光路的多个反射光强，根据多个反射光强计算获取反射平均光强，根据透射平均光强和反射平均光强计算获取经过偏振分光棱镜40后的光强损耗；当光强损耗超出设定光强损耗阈值时，更换偏振分光棱镜40，重复上述步骤，直至光强损耗处于设定光强损耗阈值内。

此外，在本发明中，在原子气室和驱动激光器的温度到达工作温度后，设置三维磁补偿线圈30对原子气室100施加恒定磁场。三维磁补偿线圈30沿z方向对原子气室施加恒定磁场B0，沿y方向施加频率为f的正弦共振激励磁场。其中，正弦共振激励磁场的频率f可根据f＝γ*B0+f’来获取，其中，γ为原子气室中核自旋的旋磁比，f’为磁场误差量。

作为本发明的一个具体实施例，为了实现原子自旋系综状态下的磁共振相位检测，需要调整原子气室温度，设置三维磁线圈和驱动激光使原子极化共振，调整驱动激光温度和电流，使泵浦光通过原子气室，对原子进行抽运，在恒定磁场综合作用下使尽可能多的原子极化共振；设置检测激光光路，调整光学回路，在原子气室底部加入第二光电检测器70，用于接收透过原子气室100的检测激光，同时用另一块同型号同批次的第一光电检测器60接收透射过分光棱镜的检测激光，使检测激光通过半反射投射分光镜，反射S偏光沿x方向通过原子气室经由第二光电检测器70接收，透射P偏光通过光学回路直接由第一光电检测器60接收；信号处理模块50内的第一AD模块将第一光电检测器60接收到的透射光信号转化为透射数字信号，信号处理模块50内的第二AD模块将第二光电检测器70接收到的反射光信号转化为反射数字信号；对两路信号进行分段处理，对每段信号分别进行傅里叶变换，根据每段信号的频谱即可得出检测激光的噪声大小；通过透射光强实现针对检测激光器光强的PID控制；通过差分的方法降低检测激光相位噪声，抑制检测激光器噪声对原子信号的影响，实现磁共振相位的精密检测的技术问题。在本实施例中，检测激光出射直射在偏振半反射半透射分光棱镜上，调整分光棱镜角度使反射后的沿x方向的检测激光光路与驱动激光光路正交，并使最大的光斑打在原子气室上，从而保证光电检测器接收到透过原子气室的P偏光光强最大。在反射光路上，加入光功率计，测得反射光强P₁，撤去光功率计。同时，在分光棱镜透射方向，加入光功率计测得透射光强P₂，撤去光功率计。

进一步地，对透过原子气室的驱动激光器的控制手段具体包括：采用恒流源供给驱动激光电流，并且对驱动激光输出频率进行控制。在此种配置方式下，通过对驱动激光输出频率进行控制，能够实现驱动激光输出的稳定性，减小由于驱动激光器输出波动对原子特性(如抽运率、光位移等)产生干扰。

根据本发明的另一方面，提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测系统，该磁共振相位检测系统包括驱动激光器10、检测激光器20、三维磁补偿线圈30、偏振分光棱镜40、光强PID控制模块、信号处理模块50、第一光电检测器60和第二光电检测器70，三维磁补偿线圈30设置在原子气室外部，三维磁补偿线圈30用于向原子气室提供稳定磁场，驱动激光器10用于对原子气室内的原子进行抽运以使原子气室内的原子极化共振，检测激光器20用于发出检测激光，偏振分光棱镜40用于将检测激光分为透射P偏光和反射S偏光，反射S偏光进入原子气室并输出反射光信号，第一光电检测器60用于采集透射P偏光，第二光电检测器70用于采集反射光信号，光强PID控制模块用于根据透射P偏光的光强实现针对检测激光的光强的PID控制，信号处理模块50用于将第二光电检测器70采集的反射光信号转换为反射数字信号、将第一光电检测器60采集的透射P偏光转换为透射数字信号以及将透射数字信号与反射数字信号进行差分处理以输出抑制噪声后的原子信号，磁共振相位检测系统根据抑制噪声后的原子信号获取原子自旋系综状态下的磁共振相位。

应用此种配置方式，提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测系统，该系统利用偏振分光棱镜将检测激光分为两个光路，反射回路透过原子气室对极化共振状态下的原子信号进行检测，透射回路直接进行模数转换分析检测激光器本身的噪声，以及通过两路信号进行差分的方式从而差分掉由于检测激光器本身带来的噪声信号，实现降低信号的本底噪声目的。此外，根据设置光强控制模块以用于透射P偏光的光强实现针对检测激光强的PID控制，从而能够实现对检测激光输出的控制。该磁共振精密相位检测系统可以有效降低激光器本身带来的信号噪声，并且实现了小体积情况下检测激光器输出光强稳定控制，与现有技术相比，本发明所提供的磁共振相位精密检测系统可以解决检测激光引起的信号输出噪声太大和检测光强不稳定的技术问题。

进一步地，在本发明中，偏振分光棱镜40包括棱镜主体和PBS，PBS设置在棱镜主体上。通过对偏振分光棱镜的上述设置，能进一步地降低经过偏振分光棱镜的光强损耗。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明所提供的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法进行详细说明。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，该检测方法能够解决现有技术中检测激光器抑制磁共振相位检测灵敏度的技术问题。

该磁共振精密相位检测方法包括：调整原子气室200温度，设置三维磁补偿线圈30和驱动激光器10使原子极化共振；设置检测激光光路，使检测激光通过偏振分光棱镜40，反射S偏光沿x方向通过原子气室经由第二光电检测器70接收，透射光P偏光通过光学回路直接由第一光电检测器60接收；信号处理模块50内设置两路AD将光电检测器接收到的反射光信号和透射光信号转化为数字信号；经信号处理模块对两路信号进行分段处理，对每段信号分别进行傅里叶变换，根据每段信号的频谱即可得出检测激光的噪声大小；通过透射光强实现针对检测激光器光强的PID控制；通过差分的方法降低检测激光相位噪声，抑制检测激光器噪声对原子信号的影响，实现原子自旋系综状态下的磁共振精密相位检测。

在本实施例中，在原子气室和驱动激光器的温度到达工作温度后，设置三维磁补偿线圈30对原子气室100施加恒定磁场。作为本发明的一个具体实施例，三维磁补偿线圈30沿Z方向对原子气室施加恒定磁场B0，并沿y方向施加频率为f的正弦共振激励磁场。其中，f＝γ*B0+f’,γ为原子气室中核自旋的旋磁比，f’为磁场误差量，x、y、z方两两垂直。在本实施例中，恒定磁场B0为10000nT，f’需要远远小于核自旋弛豫时间的倒数，根据信号的强弱来进行选取，在本实施例中，f’为0.1Hz。

分光棱镜的作用是将检测激光器发出的激光分为两路具有一定关联性的激光回路，而由于在透射过程中，会导致光信号的相位发生一定的变化，并且要使用透射过分光棱镜的光强来反映透过原子气室的光回路光强，在实际使用过程中需要考虑到使用分光棱镜的透过参数和反射参数。在本实施例中，偏振分光棱镜材料选择的是K9玻璃，透过参数Tp>95％,Ts<1％,反射参数Rs>99％,Rp<5％,。

在本实施例中，调整好分光棱镜后需要先确定透射P偏光和反射S偏光的光强。作为本发明的实施例，在调整检测激光器位置和分光棱镜位置并进行固定后，先在反射回路中加入光功率计，测得反射光强，然后在透射回路中加入光功率计，测得透射光强，并记录两回路的光强，连续三次取平均值作为实际的光强以计算经过半反射透射分光镜后的光强损耗，并且需要通过主动变动驱动激光器光强以观察P偏光和S偏光的变化情况，保证可以通过P偏光光强针对检测激光进行光强和频率控制。

在本实施例中，在完成驱动激光设置之后，需要等到原子完全极化之后加入检测激光器，截取检测激光器稳定之后数据进行分析。作为本发明的一个具体实施例，加入检测激光后每隔1min取透射光强进行观察以确定检测激光器输出稳定，稳定后数据每隔60s进行切片做FFT查看频谱。

检测激光噪声抑制是通过两路信号进行信号处理之后确定噪声，随后通过差分抑制检测激光器噪声，并通过P偏光光强来对检测激光的光强进行PID控制。作为本发明的一个具体实施例，检测激光器的电加热频率为25MHz，驱动激光加热频率为20MHz，因此首先第一光电检测器60和第二光电检测器70两路的信号过10MHz的低通滤波器后进行降采样处理到1kHz，利用第一光电检测器60的信号对检测激光器的温度进行PID控制，检测激光器电流通过恒流电源供电。

下面结合图1对本发明的原子自旋系综状态下的磁共振相位精密补偿方法进行详细说明。

步骤一，调整原子气室温度，设置三维磁补偿线圈沿z方向施加恒定磁场B₀,沿y方向施加频率为f的横向激励磁场，驱动激光沿z方向透射过原子气室，综合作用下使原子极化共振。

步骤二，设置检测激光光路，使检测激光通过半反射投射分光镜，反射S偏光沿x方向透过原子气室，与驱动光路正交，尽量使最大的光斑打在原子气室的中心，保证透过原子气室的光强最大，并尽可能使光电探测器接收到的透射光P偏光光强最大。

步骤三，分别测出检测激光器出射光强P₀，反射光S偏光光强P₁和透射光P偏光光强P₂，验证P₀＝P₁+P₂，并且通过主动改变检测激光光强P₀来验证P偏光和S偏光光强随P₀的变化关系，进而确认光强PID控制效能。

步骤四，信号处理模块50中设置两路AD将光电检测器接收到的反射光信号和透射光信号转化为电信号进入信号处理模块。

步骤五，对两路信号进行分段处理，每段信号长度为1min，对每段信号分别进行傅里叶变换，分析频谱，确定检测激光器本身噪声和频率，通过透射光强P₂采用PID控制方法，实现检测激光器光强的PID控制。两路信号进行差分除去检测激光对磁共振信号造成的影响。

本发明的磁共振相位精密检测方法可在实际信号处理过程中降低本底噪声3-5dB，且针对检测激光器输出光强而言，从激光器本身的Allan方差来讲，激光器输出噪声降低了5倍，大幅度提高了原子信号的检测精度。

综上所述，本发明提供了一种原子自旋系综状态下的磁共振精密相位检测方法，该原子自旋系综状态下的磁共振精密相位检测方法通过利用分光棱镜将检测激光器分成两个光路，反射回路透过原子气室对极化共振状态下的原子信号进行检测，透射回路直接经由光电检测器转换分析检测激光器本身的噪声，以及通过两路信号进行差分的方式从而差分掉由于检测激光器本身带来的噪声信号，降低信号的本底噪声。此外，根据透射P偏光的光强实现针对检测激光的光强的PID控制。该磁共振精密相位检测方法可以有效降低激光器本身带来的信号噪声，并且实现了小体积情况下检测激光器输出光强稳定控制，与现有技术相比，本发明的磁共振相位精密检测方法可以解决检测激光引起的信号输出噪声太大和检测激光输出光强无法控制的技术问题，可以有效降低原子自旋系综系统对检测激光器的要求，提高检测的灵敏度。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

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 (10)

1.一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，其特征在于，所述磁共振相位检测方法包括：

对原子气室内的原子进行抽运以使所述原子气室内的原子极化共振；

检测激光经过偏振分光棱镜(40)分为透射P偏光和反射S偏光；

根据所述透射P偏光的光强实现针对所述检测激光的光强的PID控制；

所述反射S偏光进入所述原子气室并输出反射光信号，将所述反射光信号转换为反射数字信号，将所述透射P偏光转换为透射数字信号；

将所述透射数字信号与所述反射数字信号进行差分处理以输出抑制噪声后的原子信号，根据所述抑制噪声后的原子信号获取原子自旋系综状态下的磁共振相位。

2.根据权利要求1所述的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，其特征在于，在将所述透射数字信号与所述反射数字信号进行差分处理之前，所述磁共振相位检测方法还包括：

对所述透射数字信号进行分段处理以生成多段透射数字信号，对各段透射数字信号分别进行傅里叶分析处理以计算各段透射数字信号中的信号频率和信号强度，根据各段透射数字信号中的信号频率和信号强度分析检测激光噪声；

对所述反射数字信号进行分段处理以生成多段反射数字信号，对各段反射数字信号分别进行傅里叶分析处理以计算各段反射数字信号中的信号频率和信号强度，根据各段反射数字信号中的信号频率和信号强度分析通过所述原子气室后的综合噪声，所述综合噪声包括检测激光噪声和其余干扰噪声；

将所述检测激光噪声和所述综合噪声进行横向对比分析以确认检测激光器噪声被引入透射数字信号中并且被采集。

3.根据权利要求1所述的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，其特征在于，通过所述透射P偏光的光强实现针对所述检测激光的光强的PID控制具体包括：判断所述透射P偏光的光强是否处于设定光强阈值范围内，当所述透射P偏光的光强未处于设定光强阈值范围内时，调整所述检测激光的温度，直至所述透射P偏光的光强处于设定光强阈值范围内。

4.根据权利要求3所述的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，其特征在于，对所述透射数字信号进行分段处理之后，所述磁共振相位检测方法还包括：对所述透射数字信号进行信号放大、低通滤波以及降采样处理；对所述反射数字信号进行分段处理之后，所述磁共振相位检测方法还包括：对所述反射数字信号进行信号放大、低通滤波以及降采样处理。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，其特征在于，对原子气室内的原子进行抽运以使所述原子气室内的原子极化共振之前，所述磁共振相位检测方法还包括：在原子气室外部设置三维磁补偿线圈(30)，所述原子气室位于所述三维磁补偿线圈(30)的中心；调整所述原子气室的温度至设定工作温度，调整驱动激光器(10)的电流和温度以使原子极化率最大。

6.根据权利要求5所述的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，其特征在于，调整所述原子气室的温度至设定工作温度，调整驱动激光器(10)的电流和温度以使原子极化率最大之前，所述磁共振相位检测方法还包括：将所述检测激光器(20)的位置以及所述偏振分光棱镜(40)的位置进行调整并固定，在所述透射P偏光所在光路中加入光功率计，采集所述透射P偏光所在光路的多个透射光强，根据多个所述透射光强计算获取透射平均光强；在所述反射S偏光所在光路中加入光功率计，采集所述反射S偏光所在光路的多个反射光强，根据多个所述反射光强计算获取反射平均光强，根据所述透射平均光强和所述反射平均光强计算获取经过所述偏振分光棱镜(40)后的光强损耗；当所述光强损耗超出设定光强损耗阈值时，更换所述偏振分光棱镜(40)，重复上述步骤，直至所述光强损耗处于设定光强损耗阈值内。

7.根据权利要求1所述的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，其特征在于，所述三维磁补偿线圈(30)沿z方向对原子气室施加恒定磁场B0，沿y方向施加频率为f的正弦共振激励磁场。

8.根据权利要求7所述的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测方法，其特征在于，所述正弦共振激励磁场的频率f可根据f＝γ*B0+f’来获取，其中，γ为原子气室中核自旋的旋磁比，f’为磁场误差量。

9.一种原子自旋系综状态下的磁共振相位检测系统，其特征在于，所述磁共振相位检测系统包括驱动激光器(10)、检测激光器(20)、三维磁补偿线圈(30)、偏振分光棱镜(40)、光强PID控制模块、信号处理模块(50)、第一光电检测器(60)和第二光电检测器(70)，所述三维磁补偿线圈(30)设置在原子气室外部，所述三维磁补偿线圈(30)用于向所述原子气室提供稳定磁场，所述驱动激光器(10)用于对原子气室内的原子进行抽运以使所述原子气室内的原子极化共振，所述检测激光器(20)用于发出检测激光，所述偏振分光棱镜(40)用于将所述检测激光分为透射P偏光和反射S偏光，所述反射S偏光进入原子气室并输出反射光信号，所述第一光电检测器(60)用于采集所述透射P偏光，所述第二光电检测器(70)用于采集所述反射光信号，所述光强PID控制模块用于根据所述透射P偏光的光强实现针对所述检测激光的光强的PID控制，所述信号处理模块(50)用于将所述第二光电检测器(70)采集的反射光信号转换为反射数字信号、将所述第一光电检测器(60)采集的所述透射P偏光转换为透射数字信号以及将所述透射数字信号与所述反射数字信号进行差分处理以输出抑制噪声后的原子信号，所述磁共振相位检测系统根据所述抑制噪声后的原子信号获取原子自旋系综状态下的磁共振相位。

10.根据权利要求9所述的原子自旋系综状态下的磁共振相位检测系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜(40)包括棱镜主体和PBS，所述PBS设置在所述棱镜主体上。

Images