一种基于光频移调制的SERF原子磁强计装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于光频移调制的SERF原子磁强计装置及方法。常规的调制式SERF原子磁强计方法是采用线圈产生交流磁场进而对原子自旋进行调制，这一方法容易引起磁场噪声干扰。本发明公开的光频移调制的SERF原子磁强计装置及方法是额外增加一束波长为碱金属原子D1线附近的激光，通过对液晶相位延迟器的调制，使该激光作用于碱金属原子产生光频移调制的效果。由于光频移对于碱金属原子而言相当于一个“虚拟”磁场，因此本发明公开的装置及方法可替代常规的磁场调制装置及方法，能够消除磁场调制过程中引入的噪声干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光频移调制的SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计装置及方法，属于原子磁强计领域。

背景技术

SERF原子磁强计是一种超高灵敏度的磁强计，有望广泛应用于物质磁性测试、人体极微弱磁场测量等领域。小型化SERF原子磁强计通常采用单光束+磁场调制的方案，这一方案是采用线圈产生交流磁场进而对原子自旋进行调制，进而通过锁相放大器提取磁场信号。这一方式由于需要引入一个额外的调制磁场，因此容易引起磁场噪声，此外在多个SERF原子磁强计靠近共同工作的时候，还容易产生相互干扰。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有常规的调制式SERF原子磁强计由于调制磁场引入的干扰噪声问题，提供一种基于光频移调制的SERF磁强计装置及方法，利用额外增加的光路产生一个光频移调制替代磁场调制，从而消除调制磁场产生的干扰噪声问题。

本发明提供了一种基于光频移调制的SERF原子磁强计装置，该装置包括光电控制系统1和磁强计探头系统2；其中光电控制系统1包括第一激光器11、第二激光器12、液晶相位延迟器控制器13、锁相放大器14，磁强计探头系统2包括光纤准直器201、1/4波片202、第一反射镜203、碱金属气室204、无磁电加热烤箱205、第二反射镜206、光电探测器207、光纤准直器208、1/4波片209、液晶相位延迟器210；该装置中，碱金属气室204中的原子需工作于SERF态；第二激光器12发射的线偏振激光，经过保偏光纤进入光纤准直器208转换为空间准直线偏振光；之后通过1/4波片209转换为圆偏振光，其中1/4波片209的快轴与光纤准直器208出射的空间准直线偏振光的偏振轴成45°；之后通过液晶相位延迟器210后从x方向入射碱金属气室204；其中，液晶相位延迟器210受到液晶相位延迟器控制器13的控制，对从1/4波片209入射的圆偏振光按照固定频率f交替产生0和π的相位延迟量，使经过液晶相位延迟器210的光转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光交替产生的调制光；该调制光作用于碱金属气室204内的碱金属原子自旋，对原子自旋进动产生光频移调制；由第一激光器11发射的线偏振激光，经过保偏光纤进入光纤准直器201转换为空间准直线偏振光；之后通过1/4波片202转换为圆偏振光；之后经过第一反射镜203从z方向进入碱金属气室204，待测磁场变化将引起原子自旋进动从而导致透射出碱金属气室204的激光光强产生变化；透射出碱金属气室204的光通过第二反射镜206进入光电探测器207；光电探测器207将探测到光信号的转换为电压信号输出至锁相放大器14，锁相放大器14解调出信号从而实现x方向磁场B_x大小的测量；液晶相位延迟器控制器13对液晶相位延迟器210的控制信号同时输入到锁相放大器14作为参考信号；无磁电加热烤箱205用于对碱金属气室204进行高温加热。

本发明还提供了一种基于光频移调制的SERF原子磁强计方法，该方法采用上述的基于光频移调制的SERF原子磁强计装置实现原子磁强计，包括：碱金属气室204中的原子需工作于SERF态；第二激光器12发射的线偏振激光，经过保偏光纤进入光纤准直器208转换为空间准直线偏振光；之后通过1/4波片209转换为圆偏振光，其中1/4波片209的快轴与光纤准直器208出射的空间准直线偏振光的偏振轴成45°；之后通过液晶相位延迟器210后从x方向入射碱金属气室204；其中，液晶相位延迟器210受到液晶相位延迟器控制器13的控制，对从1/4波片209入射的圆偏振光按照固定频率f交替产生0和π的相位延迟量，使经过液晶相位延迟器210的光转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光交替产生的调制光；该调制光作用于碱金属气室204内的碱金属原子自旋，对原子自旋进动产生光频移调制；由第一激光器11发射的线偏振激光，经过保偏光纤进入光纤准直器201转换为空间准直线偏振光；之后通过1/4波片202转换为圆偏振光；之后经过第一反射镜203从z方向进入碱金属气室204，待测磁场变化将引起原子自旋进动从而导致透射出碱金属气室204的激光光强产生变化；透射出碱金属气室204的光通过第二反射镜206进入光电探测器207；光电探测器207将探测到光信号的转换为电压信号输出至锁相放大器14，锁相放大器14解调出信号从而实现x方向磁场B_x大小的测量；液晶相位延迟器控制器13对液晶相位延迟器210的控制信号同时输入到锁相放大器14作为参考信号；无磁电加热烤箱205用于对碱金属气室204进行高温加热。

上述的基于光频移调制的SERF原子磁强计方法中，所述的第一激光器11发出的激光波长在碱金属原子的D1线的中心，激光器12所发出的激光波长在碱金属原子的D1线附近失谐。

上述的基于光频移调制的SERF原子磁强计方法方法中，所述的光频移调制的幅度通过调节第二激光器12出射激光的光强或者频率失谐量来实现。上述的基于光频移调制的SERF原子磁强计方法方法中，所述的光频移调制的幅值为：其中r_e为经典电子半径，Γ_D1为D1线的压力展宽，f_D1为碱金属D1线的振荡强度，φ₁为激光器12发射出的激光器入射进入碱金属气室204时的光通量，ν₁为第二激光器12发出的激光频率，ν_D1为碱金属D1线的中心频率。光频移调制的幅值的控制，可通过调节激光器12出射激光的光强以改变光通量φ，或者调节第二激光器12出射激光频率失谐量ν₁-ν_D1实现。

本发明与现有技术相比的优点在于：常规的调制式SERF原子磁强计是采用线圈产生交流磁场进而对原子自旋进行调制，容易引起磁场噪声干扰，本发明涉及的方法是额外增加一束波长对应碱金属原子谱线的激光，通过对液晶相位延迟器的调制，使激光作用于原子产生光频移调制的效果，以替代常规的磁场调制方法，因此相比常规方法可以消除由于磁场调制引入的噪声干扰。

附图说明

图1为本发明中基于光频移调制的SERF磁强计装置示意图。

附图说明：

1、光电控制系统，2、磁强计探头系统，11、第一激光器，12、第二激光器，13、液晶相位延迟器控制器，14、锁相放大器，201、光纤准直器，202、1/4波片，203、第一反射镜，204、碱金属气室，205、无磁电加热烤箱，206、第二反射镜，207、光电探测器，208、光纤准直器，209、1/4波片，210、液晶相位延迟器。

具体实施方式

(1)图1为本发明基于光频移调制的SERF磁强计装置结构框图，由图可见，本发明装置中包括光电控制系统1和磁强计探头系统2，其中光电控制系统1包括第一激光器11、第二激光器12、液晶相位延迟器控制器13、锁相放大器14，磁强计探头系统包括光纤准直器201、1/4波片202、第一反射镜203、碱金属气室204、无磁电加热烤箱205、第二反射镜206、光电探测器207、光纤准直器208、1/4波片209、液晶相位延迟器210。其中，磁强计探头系统2需安装于磁屏蔽环境中，并且碱金属气室204需使用无磁电加热装置205加热，使碱金属原子数密度达到10¹³～10¹⁴个/cm³量级，以保证原子工作于SERF态。

(2)第二激光器12发射的线偏振激光，经过保偏光纤进入光纤准直器208转换为空间准直线偏振光；之后通过1/4波片209转换为圆偏振光，该激光波长在碱金属原子的D1线附近失谐；其中1/4波片209的快轴与光纤准直器208出射的空间准直线偏振激光的偏振轴成45°；之后通过液晶相位延迟器210后从x方向入射碱金属气室204；其中，液晶相位延迟器210受到液晶相位延迟器控制器13的控制，对从1/4波片209入射的圆偏振光按照固定频率f交替产生0和π的相位延迟量，使经过液晶相位延迟器210的光转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，从而使经过液晶相位延迟器210的光转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光交替产生的调制光。该调制光作用于碱金属气室204内的碱金属原子自旋，从而对原子自旋进动产生光频移调制。

所述的光频移调制的幅值为：其中r_e为经典电子半径，Γ_D1为D1线的压力展宽，f_D1为碱金属D1线的振荡强度，φ₁为第二激光器12发射出的激光器入射进入碱金属气室204时的光通量，ν₁为第二激光器12发出的激光频率，ν_D1为碱金属D1线的中心频率。光频移调制的幅值的控制，可通过调节激光器12出射激光的光强以改变光通量φ，或者调节第二激光器12出射激光频率失谐量ν₁-ν_D1实现。

(3)由第一激光器11发射的线偏振激光，经过保偏光纤进入光纤准直器201转换为空间准直线偏振光，该激光波长在碱金属原子的D1线的中心；之后通过1/4波片202转换为圆偏振光后经过第二反射镜203进入碱金属气室204，待测磁场变化将引起原子自旋进动从而导致透射出碱金属气室204的激光光强的变化；透射出碱金属气室204的光通过第二反射镜206进入光电探测器207；光电探测器207将探测到光强信号的转换为电压信号输出至锁相放大器14，锁相放大器14解调出信号，从而实现x方向磁场B_x大小的测量。解调出的测量信号为：其中K为刻度系数，B_x为待测的x方向磁场大小，B₀为x方向的磁场偏置值，Δν为线宽。液晶相位延迟器控制器13对液晶相位延迟器210的控制信号同时输入到锁相放大器14作为参考信号。

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。