CN115754844B - 基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法及装置 - Google Patents

基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法及装置，该方法在碱金属原子气室外部使用两套三轴亥姆霍兹线圈，一套用于施加高频方波调制磁场，控制碱金属原子的极化率，一套用于施加低频标定方波磁场，用减慢效应法实时测量极化率，上位机软件采集磁强计的输出信号并控制高频方波磁场的幅值，实现极化率的闭环控制。系统主要包括抽运光激光器、检测光激光器及光路调整元件、磁屏蔽筒、一套高频方波调制磁场线圈、一套低频方波标定磁场线圈、碱金属原子气室、隔热保温材料腔、无磁电加热装置、上位机数据处理软件，本发明可以在不改变原子磁强计光路的基础上将极化率稳定在设定值，操作简单。

Description

基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法及装置
技术领域
本发明属于磁场测量领域，尤其涉及一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法及装置。
背景技术
碱金属原子的自旋极化率对研究原子自旋交换驰豫状态有着非常重要的作用，且极化率沿着抽运光方向的投影含有外界带测磁场的信息，这使得原子磁强计光旋角的输出公式中包含了极化率的值，经试验证明，极化率的值在0.5附近，磁强计达到最佳工作状态，所以精密的测量并控制极化率的值，对提高磁强计灵敏度起着非常重要的作用。
目前，测量极化率的方法主要包括法拉第光旋角法、顺磁共振法、抽运光透过率法等，但前两种方法需要较大的外部磁场，第三种方法需要改变检测光路，使线偏振检测光成为圆偏振检测光。所以这几种方法都无法在不改变原子磁强计光路及极弱磁环境中直接进行极化率测量，也就无法实现极化率的控制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了提供了一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法及装置，可以在不改变原子磁强计光路的基础上将极化率稳定在设定值，操作简单。
本发明提供了一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法，包括两套三轴亥姆霍兹线圈，一套用于施加三方向的高频方波调制磁场，通过改变调制磁场的幅值，改变极化率的大小；一套用于施加低频方波标定磁场，通过测量在方波标定磁场施加和关断过程中原子的瞬态响应，通过拟合布洛赫方程的瞬态解，计算出减慢因子，进而获得极化率的测量值；在上位机采集软件输入极化率的设定值，通过和测量值做对比，实时控制高频方波调制磁场的幅值改变极化率测量值，实现闭环控制，直到测量值达到设定值。
作为优选，所述高频方波调制磁场的频率大于屏蔽桶内碱金属原子在剩磁环境下的拉莫尔进动频率；低频方波标定磁场的频率避开原子自旋对磁场响应的敏感频率区域，同时保证磁场施加过程原子瞬态响应的有效性。
作为优选，本发明的操控方法包括以下步骤：
S1：开启无磁电加热系统对碱金属原子气室进行加热，使碱金属气体达到SERF态；
S2：调整抽运光光路和检测光光路；开启抽运激光器和检测激光器，使原子磁强计处于正常工作状态；
S3：在上位机数据采集软件上输入极化率的设定值；
S4：用低频标定磁场线圈施加方波磁场，用采集软件原子磁强计的瞬态响应信号，并用减慢效应法计算出极化率的测量值；
S5：上位机数据采集软件对比设定值和测量值，根据高频方波调制磁场幅值对应极化率的关系，改变磁场幅值；
S6：重复步骤S4和S5，直到极化率的测量值达到设定值。
作为优选，所述步骤S4中施加的方波磁场频率小于等于0.1Hz。
作为优选，两套三轴亥姆霍兹线圈的三轴磁场相互解耦采用柔性薄膜的方式粘贴在隔热保温材料腔的腔体上，或搭建两套三轴正交的线圈骨架。
本发明还提供了一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控装置，包括碱金属原子气室、抽运光路、检测光路以及数据处理上位机，所述的碱金属原子气室外部由内向外依次设有无磁电加热装置、隔热保温材料腔、高频调制磁场线圈、低频标定磁场线圈、磁屏蔽系统，所述高频调制磁场线圈与数据处理上位机电连接，通过数据处理上位机控制高频调制磁场线圈的电流大小，所述的抽运光路从外部射入碱金属原子气室，所述的检测光路穿过碱金属原子气室并与数据处理上位机连接，所述的抽运光路和所述检测光路垂直。
作为优选，所述的抽运光路包括按光路方向依次设置的抽运光激光器、扩束镜、偏振片、抽运四分之一波片，所述抽运光激光器发出抽运光，抽运光经过扩束镜、偏振片、抽运四分之一波片后射入碱金属原子气室。
作为优选，所述的检测光路包括按光路方向依次设置的检测光激光器、起偏器、检测四分之一波片、PEM调制器、检偏器、光电探测器，所述检测光激光器发出检测光，检测光经过起偏器调整后射入碱金属原子气室并从另一端射出，射出的检测光再依次经过检测四分之一波片、PEM调制器、检偏器到达光电探测器，光电探测器与数据处理上位机电连接。
本发明通过施加低频方波标定磁场使原子磁强计的瞬态响应可以被采集到，然后用减慢效应法计算出极化率的值，这个值是极化率的测量值；通过上位采集软件输入极化率的设定值，将设定值和测量值做对比，通过改变高频方波调制磁场的幅值，达到闭环实时控制检测方向极化率值的目的，对稳定原子磁强计灵敏度有非常重要的作用。
附图说明
图1为本发明装置系统示意图；
图2为本发明的实施流程图；
图3为低频方波磁场时序和原子磁强计的瞬态响应图；
图4为高频磁场幅值和极化率的关系曲线；
图中：1-检测光激光器，2-起偏器，3-检测四分之一波片 4-PEM调制器，5-检偏器，6-光电探测器，7-磁屏蔽系统，8-低频标定磁场线圈，9-隔热保温材料腔，10-无磁电加热装置，11-碱金属原子气室，12-高频调制磁场线圈，13-抽运光激光器，14-扩束镜，15-偏振片，16-抽运四分之一波片，17-数据处理上位机。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法，包括两套三轴亥姆霍兹线圈，一套用于施加三方向的高频方波调制磁场，通过改变调制磁场的幅值，改变极化率的大小；一套用于施加低频方波标定磁场，通过测量在方波标定磁场施加和关断过程中原子的瞬态响应，通过拟合布洛赫方程的瞬态解，计算出减慢因子，进而获得极化率的测量值；在上位机采集软件输入极化率的设定值，通过和测量值做对比，实时控制高频方波调制磁场的幅值改变极化率测量值，实现闭环控制，直到测量值达到设定值。所述高频方波调制磁场的频率大于磁屏蔽系统内碱金属原子在剩磁环境下的拉莫尔进动频率；低频方波标定磁场的频率避开原子自旋对磁场响应的敏感频率区域。
如图2所示，本发明的具体实施步骤包括：
S1：开启无磁电加热系统对碱金属原子气室进行加热，使碱金属气体达到SERF状态；
S2：调整抽运光光路和检测光光路；开启抽运激光器和检测激光器，使原子磁强计处于正常工作状态；
S3：在上位机数据采集软件上输入极化率的设定值；
S4：用低频标定磁场线圈施加方波磁场，用采集软件原子磁强计的瞬态响应信号，并用减慢效应法计算出极化率的测量值；
S5：上位机数据采集软件对比设定值和测量值，根据高频方波调制磁场幅值对应极化率的关系，改变磁场幅值；
S6：重复步骤S4和S5，直到极化率的测量值达到设定值。
其中，所述步骤S4中施加的方波磁场频率小于等于0.1Hz。
两套三轴亥姆霍兹线圈的三轴磁场相互解耦采用柔性薄膜的方式粘贴在隔热保温材料腔的腔体上，或搭建两套三轴正交的线圈骨架。
实施例1
如图1所示，一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控装置，包括碱金属原子气室11、抽运光路、检测光路以及数据处理上位机17，所述的碱金属原子气室11外部由内向外依次设有无磁电加热装置10、隔热保温材料腔9、高频调制磁场线圈12、低频标定磁场线圈8、磁屏蔽系统7，所述高频调制磁场线圈12与数据处理上位机17电连接，通过数据处理上位机17控制高频调制磁场线圈12的电流大小，所述的抽运光路从外部射入碱金属原子气室11，所述的检测光路穿过碱金属原子气室11并与数据处理上位机17连接，所述的抽运光路和所述检测光路垂直。
其中，所述的抽运光路包括按光路方向依次设置的抽运光激光器13、扩束镜14、偏振片15、抽运四分之一波片16，所述抽运光激光器13发出抽运光，抽运光经过扩束镜14、偏振片15、抽运四分之一波片16后射入碱金属原子气室11。
所述的检测光路包括按光路方向依次设置的检测光激光器1、起偏器2、检测四分之一波片3、PEM调制器4、检偏器5、光电探测器6，所述检测光激光器1发出检测光，检测光经过起偏器2调整后射入碱金属原子气室11并从另一端射出，射出的检测光再依次经过检测四分之一波片3、PEM调制器4、检偏器5到达光电探测器6，光电探测器6与数据处理上位机17电连接。
（1）：开启无磁电加热系统，将碱金属原子气室加热，加热温度根据碱金属种类决定；
（2）：开启抽运激光器和检测激光器，调整光路，使原子磁强计处于工作状态；抽运光激光器13输出激光的波长对应碱金属的fD1线，经过扩束镜14将激光的光斑扩大，然后经过偏振片15和抽运四分之一波片16后，保证以圆偏振形式进入碱金属原子气室11，抽运碱金属原子；检测光激光器1输出激光的波长对应碱金属的fD2线，经过起偏器2后，以线偏振的偏振态进入碱金属原子气室11，通过碱金属原子气室11后，经过检测四分之一波片3，进入PEM调制器4进行调制，经过检偏器5后，被光电探测器6接收；
（3）：用低频标定磁场线圈8施加0.1Hz的方波磁场。如图3的（a）所示，通过低频标定磁场线圈8施加频率为0.1Hz的方波磁场信号，磁强计的瞬态响应如图3的（b）所示，每个磁场上升沿对应着瞬态响应信号的开启阶段，放大图如图3的（b）中点线所示。根据解算自旋极化率的瞬态响应，曲线的形式如下：
Figure SMS_1
是稳定值，P0是初始值，Rtot是总驰豫率， />
Figure SMS_2
是减慢因子；
Figure SMS_3
将红色点线的曲线按照上述公式进行拟合，就可以得到
Figure SMS_4
的值
Figure SMS_5
I是核量子数，是和碱金属种类相关的常数。所以，通过曲线拟合得到
Figure SMS_6
的值，就可以得到P的值，即碱金属原子自旋极化率的数值；
（4）在数据处理上位机17中输入极化率的设定值。如果设定值和步骤（3）测量出的极化率数值不同，用高频调制磁场线圈12调解极化率的值；
（5）在Y轴施加调制磁场下的布洛赫方程为：
Figure SMS_7
B y 是剩余磁场，是固定值，
Figure SMS_8
总弛豫率也是定值，B 1 表示高频方波磁场的幅值，P是极化率，检测方向的解为
Figure SMS_9
B1和
Figure SMS_10
的关系如图4所示，可见，在一定范围内，高频磁场幅值和极化率是线性关系，可以通过改变高频磁场幅值改变极化率；
（6）数据处理上位机17实时采集步骤（3）的极化率测量值并根据（4）的设定值按照步骤（5）进行调节，直到测量值和设定值相同。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法，其特征在于：包括两套三轴亥姆霍兹线圈，一套用于施加三方向的高频方波调制磁场，通过改变调制磁场的幅值，改变极化率的大小；一套用于施加低频方波标定磁场，通过测量在方波标定磁场施加和关断过程中原子的瞬态响应，通过拟合布洛赫方程的瞬态解，计算出减慢因子，进而获得极化率的测量值；在上位机采集软件输入极化率的设定值，通过和测量值做对比，实时控制高频方波调制磁场的幅值改变极化率测量值，实现闭环控制，直到测量值达到设定值，具体包括以下步骤：
S1：开启无磁电加热系统对碱金属原子气室进行加热，使碱金属气体达到SERF态；
S2：调整抽运光光路和检测光光路；开启抽运激光器和检测激光器，使原子磁强计处于正常工作状态；
S3：在上位机数据采集软件上输入极化率的设定值；
S4：用低频标定磁场线圈施加方波磁场，用采集软件原子磁强计的瞬态响应信号，并用减慢效应法计算出极化率的测量值，所述方波磁场频率小于等于0.1Hz；
S5：上位机数据采集软件对比设定值和测量值，根据高频方波调制磁场幅值对应极化率的关系，改变磁场幅值；
S6：重复步骤S4和S5，直到极化率的测量值达到设定值。
2.根据权利要求1所述的一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法，其特征在于：所述高频方波调制磁场的频率大于屏蔽桶内碱金属原子在剩磁环境下的拉莫尔进动频率；低频方波调制磁场的频率避开原子自旋对磁场响应的敏感频率区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法，其特征在于：两套三轴亥姆霍兹线圈的三轴磁场相互解耦采用柔性薄膜的方式粘贴在隔热保温材料腔的腔体上，或搭建两套三轴正交的线圈骨架。
4.根据权利要求1所述的一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控方法的操控装置，包括碱金属原子气室、抽运光路、检测光路以及数据处理上位机，其特征在于：所述的碱金属原子气室外部由内向外依次设有无磁电加热装置、隔热保温材料腔、高频调制磁场线圈、低频标定磁场线圈、磁屏蔽系统，所述高频调制磁场线圈与数据处理上位机电连接，所述的抽运光路从外部射入碱金属原子气室，所述的检测光路穿过碱金属原子气室并与数据处理上位机连接，所述的抽运光路和所述检测光路垂直。
5.根据权利要求4所述的一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控装置，其特征在于：所述的抽运光路包括按光路方向依次设置的抽运光激光器、扩束镜、偏振片、抽运四分之一波片，所述抽运光激光器发出抽运光，抽运光经过扩束镜、偏振片、抽运四分之一波片后射入碱金属原子气室。
6.根据权利要求4所述的一种基于方波磁场幅值的原子磁强计极化率操控装置，其特征在于：所述的检测光路包括按光路方向依次设置的检测光激光器、起偏器、检测四分之一波片、PEM调制器、检偏器、光电探测器，所述检测光激光器发出检测光，检测光经过起偏器调整后射入碱金属原子气室并从另一端射出，射出的检测光再依次经过检测四分之一波片、PEM调制器、检偏器到达光电探测器，光电探测器与数据处理上位机电连接。
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