一种适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量方法

摘要

本发明公开了一种适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量方法，具体为：首先加热原子磁强计的碱金属气室；然后降低抽运光功率，并向原子磁强计的z方向线圈施加一个直流磁场；然后通过ZI锁相放大器完成原子磁强计y方向的正弦波扫场和数据采集；然后用洛伦兹曲线拟合ZI锁相放大器的输出信号和原子磁强计的磁共振线宽；最后计算原子磁强计的碱金属原子密度。本发明方法填补现有技术无快速有效的原子密度实时在线测量方法的空白，并可为原子磁强计灵敏度提升提供理论指导与参考。

说明书

技术领域

本发明旨在提出一种适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量方法，属于光学检 测、光谱分析、密度探测技术领域。

背景技术

磁场作为基础部分广泛存在于自然界中，磁场探测装置作为一种了解自然基础的工 具具有极高的研究价值。对高灵敏磁场探测装置的迫切需求促使超高灵敏原子磁强计的 产生和发展。根据最新的研究进展，光抽运原子磁强计，开始展现出对极弱磁场探测的 灵敏性。

原子磁强计主要由四大系统组成：光源系统、磁屏蔽与磁发生系统、加热系统、以 及敏感表头(碱金属气室)。由于原子磁强计具有极其广泛的潜在应用价值，因此，其 俨然成为广大学者争相研究的热门课题。在这些研究中，针对碱金属气室内原子密度测 定的研究涉及甚少。邹升等人提出了适用于碱金属气室加工过程中碱金属混合物比例控 制的实时在线监测方法与装置。此方法和装置仅适用于加工过程粗略监测碱金属混合物 的比例，无法进行精确的密度测量。

目前，有关直接利用原子磁强计装置本身完成精确快速地实时在线测量碱金属气室 内部的原子密度的方法，未见公开报道。

发明内容

发明目的：针对原子密度直接影响原子自旋磁强计灵敏度这一问题，本发明立足于 原子磁强计本身，提出一种基于磁共振线宽理论的原子密度实时在线测量方法；以填补 现有技术无快速有效的原子密度实时在线测量方法的空白，并可为原子磁强计灵敏度提 升提供理论指导与参考。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

以原子磁强计的磁共振线宽作为磁场函数，通过洛伦兹曲线的半高全宽来描述磁共 振线宽，公式如下：

式中：Δυ为磁共振线宽，I为核子角动量(对于钾原子来说，I＝3/2)，R_SE为自旋 交互碰撞弛豫，为普朗克常量，g_S为电子的朗德因子，μ_B为玻尔磁子，B为磁场，γ^e为电子旋磁比，q为核减速因子(在高磁场环境下，q＝4)，i表示虚部。

通过式(1)可知磁共振线宽与磁场关系；如图1所示，在某一温度条件下，磁共 振线宽随磁场的增大而增大，而当磁场增大到某一值后，磁共振线宽将趋于稳定，几乎 不发生变化。如图1中，当温度低于195℃时，若要获得精确的磁共振线宽，磁场需要 在3000nT以上；当温度高于195℃时，若要获得精确的磁共振线宽，磁场需要在5000 nT以上。

基于上述分析，我们可以采用磁强计参数来描述磁共振线宽，如式(2)和式(3)：

$\Delta \upsilon =\frac{1}{{\mathrm{\pi T}}_2}=\frac{R_{OP}}{4\pi }+\frac{R_{SE}{R}_{SD}}{R_{OP}\pi }G({\omega }_0,R_{SE})---\left(2\right)$

$G({\omega }_0,R_{SE})=\mathrm{Re}\left[\frac{R_{SE}+4{\mathrm{i\omega }}_0^2/{\mathrm{\pi \upsilon }}_{HF}}{5R_{SE}+8{\mathrm{i\omega }}_0^2/{\mathrm{\pi \upsilon }}_{HF}}\right]---\left(3\right)$

式中：T₂为横向弛豫时间，R_OP为抽运率，R_SD为自旋破坏弛豫率，ω₀为塞曼跃迁 频率，Re表示实部，υ_HF为基态超精细分裂。

我们知道，在大磁场环境下磁共振线宽受限于自旋交互碰撞弛豫率；当抽运光极弱 时，自旋极化率P＜＜1，结合式(2)和式(3)，可以将磁共振线宽表示为：

$\Delta \upsilon =\frac{R_{SE}}{8\pi }---\left(4\right)$

$R_{SE}={\mathrm{n\sigma }}_{SE}\sqrt{\frac{8K_{B}T}{\pi M}}---\left(5\right)$

式中：n为原子磁强计的碱金属原子密度，σ_SE为自旋交互碰撞截面积(对于钾原 子来说，σ_SE＝1.8×10^-14cm²)，K_B为玻尔兹曼常数，T为温度，M为碱金属原子的约化 质量，m为碱金属原子的质量。当温度由140℃上升到190℃时，变化很小。

对式(4)和式(5)进行整合，可以得到式(6)：

$n=\frac{8\pi \Delta \upsilon }{{\sigma }_{SE}\sqrt{\frac{8K_{B}T}{\pi M}}}---\left(6\right)$

基于上述分析，本发明提供的适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量方法，具 体包括如下步骤：

(1)将原子磁强计的碱金属气室加热至温度T；

(2)降低抽运光功率，并向原子磁强计的z方向线圈施加一个直流磁场；

(3)将原子磁强计的y方向线圈与ZI(ZurichInstruments)锁相放大器的输出端口 相连，通过ZI锁相放大器完成原子磁强计y方向的正弦波扫场和数据采集，ZI锁相放 大器的输出信号记为f(x)，x为正弦波扫场频率；

(4)用洛伦兹曲线拟合ZI锁相放大器的输出信号和原子磁强计的磁共振线宽，拟 合公式如下：

$f\left(x\right)=\frac{a}{\sqrt{{(x-b)}^2+{\left(\frac{\Delta \upsilon }{2}\right)}^2}}+c$

其中：a为拟合系数，b为碱金属原子的共振频率，Δυ为原子磁强计的磁共振线宽；

(5)采用如下公式计算原子磁强计的碱金属原子密度：

$n=\frac{8\pi \upsilon }{{\sigma }_{SE}\sqrt{\frac{8K_{B}T}{\pi M}}}$

式中：n为原子磁强计的碱金属原子密度，σ_SE为自旋交互碰撞截面积，K_B为玻尔 兹曼常数，M为碱金属原子的约化质量，m为碱金属原子的质量。

具体的，所述步骤(1)中，降低抽运光功率至30～100μW。

具体的，所述步骤(1)中，向原子磁强计的z方向线圈施加3000～5000nT的直流 磁场。

有益效果：本发明提供的适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量方法，具有如 下优点：1、填补缺乏快速有效的原子密度实现在线测量方法的空白；2、为原子磁强计 评估原子密度提供有效参考；3、为提升原子磁强计灵敏度提供保障。

附图说明

图1为磁共振线宽与磁场关系；

图2为原子磁强计内原子密度实时在线测量装置，其中：1为反射镜一；2为扩束 镜；3为起偏器；4为波片；5为三维磁线圈；6为起偏器；7为扩束镜；8为反射镜 二；9为检测激光器；10为磁屏蔽桶；11为函数发生器；12为计算机；13为ZI锁相放 大器；14为碱金属气室；15为PBS；16为平衡探测器；17为反射镜三；18为烤箱；19 为抽运激光器；

图3为140℃下的实验结果。

具体实施方式

以钾原子磁强计为例具体说明利用本发来测量碱金属气室内原子密度数。

如图2所示为一种适用于原子磁强计的原子密度实时在线测量装置，与现有技术采 用相同的结构；测量方法包括如下步骤：

(1)光路调节与连线：按照附图说明书2所示光路进行精细调节与接线；

(2)系统准备：开启电加热系统，将碱金属气室内部加热至140℃；

(3)开始测试：将抽运光功率降低至30μW，在z方向线圈施加3000nT直流磁场； 由ZI锁相放大器给y方向输出一幅值为5nT的正弦波扫场，且扫场频率范围为11KHz 至26KHz；同时，由ZI锁相放大器完成数据采集。

(4)数据处理：用洛伦兹曲线拟合锁相放大器的输出信号和频率：

$f\left(x\right)=\frac{a}{\sqrt{{(x-b)}^2+{\left(\frac{\Delta \upsilon }{2}\right)}^2}}+c$

(5)如结果如说明书附图3所示，在140℃时，使用本发明方进行实时在线密度 测量，所获得密度结果为0.49×10¹³cm^-3。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。