CN117331005A - 一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法及装置。本底磁场产生组件产生本底磁场；根据抽运‑检测型原子磁力仪测量的本底磁场值调整恒流源输出电流值，使得铷原子磁矩绕本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出信号频率，通过控制信号源输出信号幅度设定射频场脉冲跃迁效果；根据射频场脉冲跃迁效果控制信号源确定分离振荡场；根据本底磁场、信号源输出信号频率和信号幅度，三轴线偏振光探测组件记录被极化铷原子经历分离振荡场后的信号幅度；根据经历分离振荡场后的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样能够单独或同时测量。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，更为具体来说，本发明涉及一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法及装置。
背景技术
目前，磁选态铯原子钟和冷原子喷泉钟都采用分离振荡场的激励方式来实现原子与微波场的相互作用，受限于信号探测技术，在原子钟中无法同时获得三轴方向的Ramsey跃迁花样。量子力学理论也指出，无法同时准确地测量出互不对易的两个物理量；在经典物理中原子磁矩的定义与角动量有关，而x轴、y轴和z轴角动量互不对易，那么三轴方向是否能获得相互无干扰的Ramsey跃迁花样是值得探讨和实践的科学问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法及装置。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
第一方面，本申请实施例提供了一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，该方法包括：
利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场；
根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出的信号频率，并通过控制所述信号源输出的信号幅度设定射频场脉冲的跃迁效果；
根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；
根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；
根据经历所述分离振荡场之后的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。
根据一种优选实施方式，所述利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场，包括：
通过恒流源向本底磁场线圈输入恒定电流，用于在磁屏蔽筒内所述z轴方向产生本底磁场；
将所述磁屏蔽筒、所述本底磁场线圈和所述恒流源作为所述本底磁场产生组件。
根据一种优选实施方式，所述根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场，包括：
根据所述射频场脉冲的跃迁效果，控制所述信号源输出预设间隔时长的两个相同射频信号脉冲，确定所述两个相同射频信号脉冲在所述铷泡位置形成的两个所述射频场脉冲即为所述与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场。
根据一种优选实施方式，所述根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度，包括：
保持所述本底磁场和所述信号源输出的信号幅度不变，以共振频率为中心扫描所述信号源输出的信号频率，在每次改变所述信号源输出的信号频率时，在三轴方向利用所述三轴线偏振光探测组件纪录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度。
根据一种优选实施方式，所述根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度，包括：
保持所述信号源输出的信号频率和信号幅度不变，以所述共振频率为中心扫描所述本底磁场，在每次改变所述本底磁场时，在所述三轴方向利用所述三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度。
根据一种优选实施方式，所述被极化所述铷原子在共振条件下经历所述分离振荡场之后，即完成二能级磁共振塞曼跃迁，所述二能级磁共振塞曼跃迁包括从低能态跃迁到高能态，或者从所述高能态跃迁到所述低能态。
根据一种优选实施方式，所述三轴线偏振光探测组件包括：x轴线偏振探测激光、y轴线偏振探测激光和z轴线偏振探测激光；所述x轴线偏振探测激光、所述y轴线偏振探测激光和所述z轴线偏振探测激光的频率相同，且相比87Rb原子精细结构D1线跃迁频率红失谐3GHz~10GHz；所述三轴线偏振光探测组件的探测方式包括差分测量。
第二方面，本申请实施例提供了一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量装置，该装置包括：
本底磁场产生模块，用于利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场；
跃迁效果设定模块，用于根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出的信号频率，并通过控制所述信号源输出的信号幅度设定射频场脉冲的跃迁效果；
分离振荡场确定模块，用于根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；
信号幅度确定模块，用于根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；
跃迁花样绘制模块，用于根据经历所述分离振荡场之后的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。
第三方面，本申请实施例提供一种计算机存储介质，计算机存储介质存储有多条指令，指令适于由处理器加载并执行上述的方法步骤。
第四方面，本申请实施例提供一种终端，可包括：处理器和存储器；其中，存储器存储有计算机程序，计算机程序适于由处理器加载并执行上述的方法步骤。
本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
在本申请实施例中，所述二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，本底磁场产生组件用于产生本底磁场，根据抽运-检测型原子磁力仪测量的本底磁场值调整恒流源输出的电流值，使原子磁矩绕本底磁场进动的拉莫尔进动频率和信号源输出的信号频率都等于磁共振频率；利用抽运-检测型原子磁力仪的z轴共振圆偏振抽运激光制备铷原子的高能态或低能态，设定实验参数使分离振荡场在共振条件下能实现铷原子在高能态和低能态之间的跃迁；保持本底磁场和信号源输出的信号幅度不变并以共振频率为中心扫描信号源输出的信号频率，或者保持信号源输出的信号频率和信号幅度不变并以共振频率为中心扫描本底磁场，分别利用x轴线偏振探测激光、y轴线偏振探测激光和z轴线偏振探测激光记录被极化铷原子经历分离振荡场之后的信号幅度，以横坐标为频率失谐量、纵坐标为信号幅度分别绘制x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。本申请的测量方法有助于人们理解其他与分离振荡场相关的精密测量物理。本申请实施例x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样可分别测量，也可同时测量，它们互不干扰；当仅测量某一方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样时，其他两个方向的线偏振探测激光是否穿过铷泡并不影响所述某一方向二能级磁共振Ramsey跃迁花样的测量结果。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的装置结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的在磁共振条件下铷原子与30 ms时长射频场单脉冲作用时实验在z轴探测的差分信号示意图；
图4是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的在磁共振条件下铷原子与30 ms时长射频场单脉冲作用时实验在x轴探测的差分信号示意图；
图5是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的铷原子与间隔时长为5 ms、脉冲时长为0.5 ms的分离振荡场作用时实验在z轴探测的差分信号示意图；
图6是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的铷原子与间隔时长为5 ms、脉冲时长为0.5 ms的分离振荡场作用时实验在x轴探测的差分信号示意图；
图7是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的本底磁场与恒流源输出电流的依赖关系示意图；
图8是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样示意图；
图9是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的x轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样示意图；
图10是本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量装置的模块组成示意图；
图11是本申请实施例提供的一种终端示意图。
附图标记：
1、磁屏蔽筒，2、本底磁场线圈，3、亥姆霍兹线圈，4、铷泡加热模块，5、铷泡，6、信号源，7、DSP时序控制模块，8、计算单元（计算机），9、恒流源，10、x轴线偏振探测激光，11、y轴线偏振探测激光，12、z轴线偏振探测激光，13、z轴圆偏振抽运激光。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。
应当明确，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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统和方法的例子。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面将结合附图1-附图9，对本申请实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法进行详细介绍。
请参见图1-9，为本申请实施例提供了一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法的流程示意图。如图1-9所示，本申请实施例的方法可以包括以下步骤：
为了克服现有技术在探测三轴方向Ramsey跃迁花样时存在的不足，本申请实施例提供了一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，有助于人们更好地理解基于分离振荡场的相关精密测量物理。本申请首先利用本底磁场和共振圆偏振抽运激光制备铷原子的高能态或低能态，然后设定实验参数使分离振荡场在共振条件下能实现铷原子在高能态和低能态之间的跃迁，最后在x轴、y轴和z轴方向利用远失谐线偏振探测激光记录铷原子的磁共振Ramsey跃迁信号。
图2示出了根据本申请实施例的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法对应系统的装置结构示意图，二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量系统，包括本底磁场产生组件、抽运-检测型原子磁力仪、y轴线偏振光探测组件和z轴线偏振光探测组件。其中，所述本底磁场产生组件包括磁屏蔽筒1、本底磁场线圈2和恒流源9，所述磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，所述恒流源9向所述本底磁场线圈2输入恒定电流，用于在磁屏蔽筒1内z轴方向产生稳定的本底磁场。所述抽运-检测型原子磁力仪包括亥姆霍兹线圈3、铷泡加热模块4、铷泡5、信号源6、DSP时序控制模块7、计算单元（计算机）8、x轴线偏振探测激光10和z轴圆偏振抽运激光13等部件，图2中略去了与差分探测和数据采集相关的部件；所述铷泡加热模块4用于稳定铷泡5的温度；所述计算单元（计算机）8用于设定DSP时序控制模块7和信号源6的输出参数，以及用于采集、处理和存储拉莫尔进动信号和磁共振Ramsey跃迁花样；所述DSP时序控制模块7用于触发信号源6、z轴圆偏振抽运激光13的打开或关闭，以及用于触发计算单元（计算机）8的数据采集；所述z轴圆偏振抽运激光13用于制备铷原子极化态，使铷原子磁矩的方向平行或反平行于本底磁场方向；所述x轴线偏振探测激光10相比z轴圆偏振抽运激光13的频率红失谐8 GHz，用于探测拉莫尔进动信号，以及探测x轴方向的磁共振Ramsey跃迁花样，探测方式为差分测量。所述y轴线偏振光探测组件包含y轴线偏振探测激光11，用于探测y轴方向的磁共振Ramsey跃迁花样，探测方式为差分测量；由于实施例使用的磁屏蔽筒1在y轴方向未开孔，因此具体实施例中不测量y轴方向的磁共振Ramsey跃迁花样。所述z轴线偏振光探测组件包含z轴线偏振探测激光12，用于探测z轴方向的磁共振Ramsey跃迁花样，探测方式为差分测量。
具体地，所述本底磁场产生组件使所述铷泡5中的铷原子处于二能级状态，所述二能级状态为低能态和高能态，其中，低能态为铷原子磁矩的方向与本底磁场的方向平行的状态，高能态为铷原子磁矩的方向与本底磁场的方向反平行的状态。所述本底磁场产生组件产生的本底磁场的磁场梯度小于1％。
所述z轴圆偏振抽运激光13的频率锁定至87Rb原子精细结构的D1线跃迁频率，所述x轴线偏振探测激光10、y轴线偏振探测激光11和z轴线偏振探测激光12由同一台激光器产生，所述x轴线偏振探测激光10、所述y轴线偏振探测激光11和所述z轴线偏振探测激光12的频率相同，且它们的频率相比z轴圆偏振抽运激光13的频率红失谐3 GHz~10 GHz，测量二能级磁共振Ramsey跃迁花样的过程中铷泡对x轴线偏振探测激光10、y轴线偏振探测激光11和z轴线偏振探测激光12的吸收率均小于1%。所述x轴线偏振探测激光10、y轴线偏振探测激光11和z轴线偏振探测激光12在铷泡内互相不相交。抽运-检测型原子磁力仪的z轴圆偏振抽运激光13采用小于10°的发散光束照射铷泡。
所述恒流源9采用6.5位商用数字化电流源，所述计算单元（计算机）8可控制恒流源9的输出电流。所述计算单元（计算机）8，用Labview软件控制仪表和测量。采集测量和存储x轴、y轴和z轴的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。
所述二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法具体如下：
S100，利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场，包括：
上述明确的所述磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，通过恒流源9向本底磁场线圈2输入恒定电流，用于在磁屏蔽筒1内所述z轴方向产生稳定的本底磁场；将所述磁屏蔽筒、所述本底磁场线圈和所述恒流源作为所述本底磁场产生组件。
本申请实施例中的恒流源9采用的是B2912A型精密电流源，其输出电流可被计算单元（计算机）8控制；磁屏蔽筒1为圆柱形，直径为φ500 mm，长度大于或等于700 mm，在铷泡位置产生的本底磁场的磁场梯度小于1％。
S200，设定DSP时序控制模块7的参数，控制信号源6输出一个射频信号脉冲；设定信号源6输出的信号频率为f，f的取值范围为5 kHz至500 kHz，此处，f的取值为10 kHz。根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源9输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源6输出的信号频率10 kHz，并通过控制所述信号源6输出的信号幅度设定射频场π/2脉冲的跃迁效果。
图3和图4分别示出了在磁共振条件下铷原子与30ms时长射频场单脉冲作用时实验在z轴和x轴探测的差分信号，图3和图4的工作时序相同。在射频场作用时长内，铷原子在低能态和高能态之间完成一次磁共振塞曼跃迁时对应着图3中从波峰至波峰的一个振荡，也对应着图4中的一个波包。通过控制信号源6输出的信号幅度使图4中第一个波包的时长为1 ms，然后保持信号源6输出的信号幅度不变，将信号脉冲的时长设定为0.5 ms，则该信号脉冲使铷原子实现π/2脉冲的跃迁效果。
S300，根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场，包括：
根据所述射频场脉冲的跃迁效果，设定DSP时序控制模块7的参数，控制所述信号源6输出预设间隔时长为n/f的两个相同射频信号脉冲，其中，n为正整数， n可以为50，f可以为10 kHz，则预设间隔时长为5 ms，这两个相同射频信号脉冲的频率、振幅、初始相位和时长均与S200中的射频信号脉冲相同，确定所述两个相同射频信号脉冲在所述铷泡5位置形成的两个所述射频场脉冲即为所述与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场。在扫描频率或扫描磁场时，必然经历失谐条件和共振条件，只有在共振条件下，分离振荡场能够完成完整的二能级磁共振塞曼跃迁；其他失谐条件，要么不跃迁，要么跃迁不完整（即能量没有达到二能级的能量差）。被极化的铷原子在共振条件下经历分离振荡场之后完成的一次完整的二能级磁共振塞曼跃迁，即为从低能态跃迁到高能态，或者从高能态跃迁到低能态。
图5和图6分别示出了铷原子与预设间隔时长为5ms、脉冲时长为0.5ms的分离振荡场作用时，实验在z轴和x轴探测的差分信号，图5和图6的工作时序相同。
在本申请实施例中，例如：在实验室坐标系中单个原子的磁矩μ在x轴、y轴和z轴方向的投影矢量μx、μy和μz分别为
(1)，
(2)，
(3)，
三式中γ为铷原子的旋磁比，ω0为原子磁矩绕本底磁场进动的角频率，ω为旋转磁场的角频率，它与信号源6输出的信号频率有关，Brf为旋转磁场的振幅，δ为初始时刻旋转坐标系相对于实验室坐标系的角度，该值与射频脉冲的初始相位有关联，t时刻旋转坐标系相对于实验室坐标系转过的角度为-ωt+δ。投影矢量μx、μy和μz与角频率失谐ω0-ω有关，尤其与铷原子的二能级状态有关的μz仅与角频率失谐ω0-ω有关，实验中可通过固定本底磁场后扫描射频场的频率、或者固定射频场的频率后扫描本底磁场来设定频率失谐条件，因此本申请采用下述S400和S500中两种方式测量x轴、y轴和z轴的二能级磁共振Ramsey跃迁花样：
S400，根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度，包括：
可将x轴线偏振探测激光10、y轴线偏振探测激光11和z轴线偏振探测激光12作为三轴线偏振光探测组件。所述三轴线偏振光探测组件的探测方式即为差分测量。
一种方式，保持S200中所述本底磁场和所述信号源6输出的信号幅度不变，以共振频率f为中心扫描所述信号源6输出的信号频率，在每次改变所述信号源6输出的信号频率时，在三轴(即x轴、y轴和z轴)方向分别利用所述三轴线偏振光探测组件（包括的x轴线偏振探测激光10、y轴线偏振探测激光11和z轴线偏振探测激光12）纪录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；
另一种方式，保持S200中所述信号源6输出的信号频率和信号幅度不变，以所述共振频率f为中心扫描恒流源9输出的电流（即扫描所述本底磁场），使本底磁场线性地增加，在每次改变所述本底磁场时，在所述三轴（即x轴、y轴和z轴）方向分别利用所述三轴线偏振光探测组件（包括的x轴线偏振探测激光10、y轴线偏振探测激光11和z轴线偏振探测激光12）记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；
在S400中，x轴和y轴方向探测的信号幅度为信号的振幅值，z轴方向探测的信号幅度为信号的平均值。
S500，根据经历所述分离振荡场之后的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样，包括：
一种方式，将S400中信号源6输出的信号频率减去共振频率f得到的差值定义为频率失谐量，以横坐标为频率失谐量、纵坐标为信号幅度分别绘制x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样；
另一种方式，将S400中本底磁场对应的拉莫尔进动频率减去共振频率f得到的差值定义为频率失谐量，以横坐标为频率失谐量、纵坐标为信号幅度分别绘制x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。
在本申请实施例中，x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样可分别测量，也可同时测量，它们互不干扰；当仅测量某一方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样时，其他两个方向的线偏振探测激光是否穿过铷泡5并不影响这一方向二能级磁共振Ramsey跃迁花样的测量结果。
根据上述表达式(3)可知，与铷原子的二能级状态相关的μz仅与角频率失谐ω0-ω有关，实验中频率失谐条件可通过固定本底磁场后扫描射频场的频率来设定，也可通过固定射频场的频率后扫描本底磁场来设定，两种方法将展示出相似的效果。本申请实施例不展示实施上述S400和S500中的一种方式的实验数据，仅给出实施上述S400和S500中的另一种方式获得的实验数据。图7示出本底磁场与恒流源输出电流的依赖关系，当电流以0.02mA的步长从10 mA扫描至50 mA时，本底磁场从525 nT增加至2623 nT，与共振频率10 kHz对应的磁场为1429 nT。当恒流源输出的电流以0.02 mA的步长从10 mA扫描至50 mA时，z轴和x轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样分别如图8和图9所示。具体实验中，图3和图4所示的z轴和x轴磁共振信号可分别测量，也可同时测量，它们互不干扰；图8和图9所示的磁共振Ramsey跃迁花样可分别测量，也可同时测量，它们互不干扰；当测量z轴方向的磁共振信号或磁共振Ramsey跃迁花样时，x轴方向的线偏振探测激光是否穿过铷泡并不影响测量结果，反之亦然。
量子力学理论指出，无法同时准确地测量出互不对易的两个物理量。本申请实施例中信号的振幅与原子系综宏观磁化强度在探测光方向上的投影矢量有关，而原子磁矩的定义与角动量有关，量子力学理论中x轴、y轴和z轴的角动量算符是互不对易的，但本申请实施例中可利用远失谐的微弱探测激光在z轴和x轴方向上同时非破坏性地测量出磁共振信号或二能级磁共振Ramsey跃迁花样。考虑到相干原子系综可看成是一个原子，本申请实施例相当于在实验上用高速的光频信号记录了单个铷原子磁矩在本底磁场和射频场中的演化过程。因此，本申请的有益效果是有助于人们理解其他与分离振荡场相关的精密测量物理，包括实验结果的理解、实验参数的调节，以及认识到量子力学中测量理论的局限性。
综上所述，本申请实施例提供了一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，通过测量z轴和x轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样来初步展示本申请的有益效果。本申请实施例利用磁屏蔽筒、本底磁场线圈和恒流源在z轴方向产生本底磁场，在本底磁场线圈中心放置铷泡，所述本底磁场使所述铷泡中的铷原子处于二能级状态，所述二能级状态为低能态和高能态，其中低能态为铷原子磁矩的方向与本底磁场的方向平行的状态，高能态为铷原子磁矩的方向与本底磁场的方向反平行的状态；利用z轴方向的共振圆偏振抽运激光制备铷原子的低能态或高能态，控制信号源向亥姆霍兹线圈输入两个射频信号脉冲，使铷泡位置产生两个射频场脉冲，所述两个射频场脉冲即为与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；固定本底磁场后扫描射频场的频率，或者固定射频场的频率后扫描本底磁场，被极化的铷原子在失谐条件或共振条件下经历分离振荡场之后，用x、y和z轴方向的远失谐线偏振探测激光差分地测量相应信号的振幅，以横坐标为频率失谐量绘制二能级磁共振Ramsey跃迁花样。本申请x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样可分别测量，也可同时测量，它们互不干扰；当仅测量某一方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样时，其他两个方向的线偏振探测激光是否穿过铷泡并不影响所述某一方向二能级磁共振Ramsey跃迁花样的测量结果。
下述为本发明装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于本发明装置实施例中未披露的细节，请参照本发明方法实施例。
请参见图10，其示出了本发明一个示例性实施例提供的一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量装置的模块组成示意图。该装置包括：本底磁场产生模块10000、跃迁效果设定模块20000、分离振荡场确定模块30000、信号幅度确定模块40000和跃迁花样绘制模块50000。
本底磁场产生模块10000，用于利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场；
跃迁效果设定模块20000，用于根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出的信号频率，并通过控制所述信号源输出的信号幅度设定射频场脉冲的跃迁效果；
分离振荡场确定模块30000，用于根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；
信号幅度确定模块40000，用于根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；
跃迁花样绘制模块50000，用于根据经历所述分离振荡场之后的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。
需要说明的是，上述实施例提供的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量装置在执行二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量装置与二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法实施例属于同一构思，其体现实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
所述二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量装置，利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场；根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出的信号频率，并通过控制所述信号源输出的信号幅度设定射频场脉冲的跃迁效果；根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；根据铷原子经历所述分离振荡场之后三轴线偏振光探测组件记录的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。本申请的测量装置有助于人们理解其他与分离振荡场相关的精密测量物理。本申请实施例x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样可分别测量，也可同时测量，它们互不干扰；当仅测量某一方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样时，其他两个方向的线偏振探测激光是否穿过铷泡并不影响所述某一方向二能级磁共振Ramsey跃迁花样的测量结果。
本发明还提供一种计算机可读介质，其上存储有程序指令，该程序指令被处理器执行时实现上述各个方法实施例提供的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法。
本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各个方法实施例的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法。
请参见图11，为本申请实施例提供了一种终端的结构示意图。如图11所示，终端1000可以包括：至少一个处理器1001，至少一个网络接口1004，用户接口1003，存储器1005，至少一个通信总线1002。
其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。
其中，用户接口1003可以包括显示屏(Display)、摄像头(Camera)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。
其中，网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。
其中，处理器1001可以包括一个或者多个处理核心。处理器1001利用各种接口和线路连接整个终端1000内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器1005内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器1005内的数据，执行终端1000的各种功能和处理数据。可选的，处理器1001可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器1001可集成中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器1001中，单独通过一块芯片进行实现。
其中，存储器1005可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。可选的，该存储器1005包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。存储器1005可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器1005可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现上述各个方法实施例的指令等；存储数据区可存储上面各个方法实施例中涉及到的数据等。存储器1005可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器1001的存储装置。如图11所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量应用程序。
在图11所示的终端1000中，用户接口1003主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量应用程序，并具体执行以下操作：
利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场；
根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出的信号频率，并通过控制所述信号源输出的信号幅度设定射频场脉冲的跃迁效果；
根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；
根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；其中，所述被极化所述铷原子在共振条件下经历所述分离振荡场之后，即完成二能级磁共振塞曼跃迁，所述二能级磁共振塞曼跃迁包括从低能态跃迁到高能态，或者从所述高能态跃迁到所述低能态；所述三轴线偏振光探测组件包括：x轴线偏振探测激光、y轴线偏振探测激光和z轴线偏振探测激光；所述x轴线偏振探测激光、所述y轴线偏振探测激光和所述z轴线偏振探测激光的频率相同，且相比87Rb原子精细结构D1线跃迁频率红失谐3 GHz~10GHz；所述三轴线偏振光探测组件的探测方式包括差分测量；
根据经历所述分离振荡场之后的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。
在一个实施例中，处理器1001在执行所述利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场时，具体执行以下操作：
通过恒流源向本底磁场线圈输入恒定电流，用于在磁屏蔽筒内所述z轴方向产生本底磁场；
将所述磁屏蔽筒、所述本底磁场线圈和所述恒流源作为所述本底磁场产生组件。
在一个实施例中，处理器1001在执行所述根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场时，具体执行以下操作：
根据所述射频场脉冲的跃迁效果，控制所述信号源输出预设间隔时长的两个相同射频信号脉冲，确定所述两个相同射频信号脉冲在所述铷泡位置形成的两个所述射频场脉冲即为所述与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场。
在一个实施例中，处理器1001在执行所述根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度时，具体执行以下操作：
保持所述本底磁场和所述信号源输出的信号幅度不变，以共振频率为中心扫描所述信号源输出的信号频率，在每次改变所述信号源输出的信号频率时，在三轴方向利用所述三轴线偏振光探测组件纪录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度。
在一个实施例中，处理器1001在执行所述根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度时，具体执行以下操作：
保持所述信号源输出的信号频率和信号幅度不变，以所述共振频率为中心扫描所述本底磁场，在每次改变所述本底磁场时，在所述三轴方向利用所述三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度。
所述二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场；根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出的信号频率，并通过控制所述信号源输出的信号幅度设定射频场脉冲的跃迁效果；根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；根据铷原子经历所述分离振荡场之后三轴线偏振光探测组件记录的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。本申请的测量方法有助于人们理解其他与分离振荡场相关的精密测量物理。本申请实施例x轴、y轴和z轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样可分别测量，也可同时测量，它们互不干扰；当仅测量某一方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样时，其他两个方向的线偏振探测激光是否穿过铷泡并不影响所述某一方向二能级磁共振Ramsey跃迁花样的测量结果。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所揭露的仅为本申请较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，仍属本申请所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场；
根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出的信号频率，并通过控制所述信号源输出的信号幅度设定射频场脉冲的跃迁效果；
根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；
根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；
根据经历所述分离振荡场之后的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。
2.根据权利要求1所述的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，其特征在于，所述利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场，包括：
通过恒流源向本底磁场线圈输入恒定电流，用于在磁屏蔽筒内所述z轴方向产生本底磁场；
将所述磁屏蔽筒、所述本底磁场线圈和所述恒流源作为所述本底磁场产生组件。
3.根据权利要求1所述的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，其特征在于，所述根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场，包括：
根据所述射频场脉冲的跃迁效果，控制所述信号源输出预设间隔时长的两个相同射频信号脉冲，确定所述两个相同射频信号脉冲在所述铷泡位置形成的两个所述射频场脉冲即为所述与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场。
4.根据权利要求1所述的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，其特征在于，所述根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度，包括：
保持所述本底磁场和所述信号源输出的信号幅度不变，以共振频率为中心扫描所述信号源输出的信号频率，在每次改变所述信号源输出的信号频率时，在三轴方向利用所述三轴线偏振光探测组件纪录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度。
5.根据权利要求4所述的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，其特征在于，所述根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度，包括：
保持所述信号源输出的信号频率和信号幅度不变，以所述共振频率为中心扫描所述本底磁场，在每次改变所述本底磁场时，在所述三轴方向利用所述三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度。
6.根据权利要求5所述的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，其特征在于，所述被极化所述铷原子在共振条件下经历所述分离振荡场之后，即完成二能级磁共振塞曼跃迁，所述二能级磁共振塞曼跃迁包括从低能态跃迁到高能态，或者从所述高能态跃迁到所述低能态。
7.根据权利要求1所述的二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量方法，其特征在于，所述三轴线偏振光探测组件包括：x轴线偏振探测激光、y轴线偏振探测激光和z轴线偏振探测激光；所述x轴线偏振探测激光、所述y轴线偏振探测激光和所述z轴线偏振探测激光的频率相同，且相比87Rb原子精细结构D1线跃迁频率红失谐3GHz~10GHz；所述三轴线偏振光探测组件的探测方式包括差分测量。
8.一种二能级磁共振Ramsey跃迁花样的三轴测量装置，其特征在于，包括：
本底磁场产生模块，用于利用本底磁场产生组件在z轴方向产生本底磁场；
跃迁效果设定模块，用于根据抽运-检测型原子磁力仪测量的所述本底磁场的值调整所述本底磁场产生组件内恒流源输出的电流值，使得铷泡中的铷原子磁矩绕所述本底磁场进动的拉莫尔进动频率等于信号源输出的信号频率，并通过控制所述信号源输出的信号幅度设定射频场脉冲的跃迁效果；
分离振荡场确定模块，用于根据所述射频场脉冲的跃迁效果控制所述信号源，确定与铷原子二能级磁共振Ramsey跃迁相关的分离振荡场；
信号幅度确定模块，用于根据所述本底磁场、所述信号源输出的信号频率和信号幅度，利用三轴线偏振光探测组件记录被极化所述铷原子在失谐条件或共振条件下经历所述分离振荡场之后的信号幅度；
跃迁花样绘制模块，用于根据经历所述分离振荡场之后的信号幅度，及其对应的本底磁场或信号源输出的信号频率，分别绘制三轴方向的二能级磁共振Ramsey跃迁花样。
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