磁场强度测量装置及方法制造方法及图纸

一种磁场强度测量装置和测量方法，其中测量装置包括：激光器，用于产生激光光束；第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。本发明专利技术了提供的磁场强度测量装置利用轨道角动量对称光束来精确测量弱磁场强度。

【技术实现步骤摘要】
磁场强度测量装置及方法
本专利技术涉及磁场测量领域，进一步涉及一种磁场强度的测量装置及方法。
技术介绍
科学家们发现携带螺旋位相的空间光场具有特定的轨道角动量。随着进一步的发展，具有轨道角动量的光场在理论上是可以携带比特信息，由于轨道角动量内禀的无限维希尔伯特空间，大大增加了经典和量子光通信的通信容量。此外，螺旋光束与物质之间的相互作用产生了光学镊子和光学扳手等工具，最近已经开发了基于轨道角动量光的高精度测量的各种办法。这里设计了一种基于轨道角动量光场来测量磁场强度的方法，利用轨道角动量的对称光束和外加磁场的铷原子蒸气进行组合，通过之后产生的扇形干涉图案的旋转来测量磁场强度。改变磁场强度的大小可以产生可观测的干涉图像的旋转，利用这种方法，可以精确的测量弱磁场的磁场强度，为磁场强度的测量提供了一种新的方法。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种磁场强度的测量装置，以及采用该测量装置测量磁场强度的方法。(二)技术方案根据本专利技术的一方面，提供一种磁场强度测量装置，包括：激光器，用于产生激光光束；第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。在进一步的方案中，所述第一偏振组件包括第一四分之一波片和二分之一波片，按照光路顺序依次设置第一四分之一波片和二分之一波片。在进一步的方案中，所述第二偏振组件包括第二四分之一波片。在进一步的方案中，所述Sagnac干涉仪包括：第一偏振分束器，使线性偏振光的水平和竖直的偏振分量穿过螺旋相位板后获得不同的轨道角动量；多个反射镜形成的环路，用于调整水平和竖直的偏振分量光路路线；相位片，设置于Sagnac环路上，用于给水平和竖直的偏振光加载不同的螺旋相位。在进一步的方案中，所述摄像机还用于监测在待测测长强度变化时的干涉图样缓慢旋转角度。在进一步的方案中，所述铷原子蒸气室配置为与待测磁场方向相平行。根据本专利技术的另一方面，提供一种应用以上任一所述的装置进行磁场测量的方法，包括：采用所述装置构建测量光路，其中使铷原子蒸气室位于待测磁场强度的磁场中，待测磁场与铷原子蒸气室轴线平行；通过摄像机检测干涉图案的相关值来得到旋转角，根据所述旋转角确定磁场强度。在进一步的方案中，配置Sagnac干涉仪中的第一偏振分束器，使水平和垂直分量的光束分别获得数值为-2和2的轨道角动量。(三)有益效果(1)本专利技术了提供的磁场强度测量装置利用轨道角动量对称光束来精确测量弱磁场强度；(2)本专利技术的测量方法在测量干涉图案的旋转时，具有可以实时监控旋转的优点，可以在很短的时内记录多个干涉图案并且通过高分辨率的相机来提高测量精度。附图说明图1为本专利技术实施例的磁场强度测量装置的光路示意图；图2为本专利技术实施例的铷原子蒸气室外部施加纵向磁场平面后塞曼能级变化示意图；图3为本专利技术实施例将携带有轨道角动量为1和2的干涉图案的旋转角度变化示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术的目的是针对携带有轨道角动量的光束在精密光学测量和高容量光通信领域有非常突出的优势，提出一种精确测量磁场强度的装置和方法。利用携带有轨道角动量的对称光束在通过热原子蒸气室后产生的干涉图案随着磁场作用下会发生旋转的特点，通过测量干涉图案的旋转角度来确定外加磁场的磁场强度，不仅可以利用不同轨道角动量的光束进行测量，而且可以精确的测量弱磁场的磁场强度。本专利技术提出了一种磁场强度测量装置，包括：激光器，用于产生激光光束；第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。具体的，所设计的光路图可以包括外腔激光器、四分之一波片、半波片、萨格纳克装置、热铷原子蒸气室、电流可控的电磁线圈、偏振分束器、高分辨率摄像头。本专利技术还提出了一种利用携带有轨道角动量的对称光束测量外磁场强度的方法，该方法利用轨道角动量对称光束在通过热原子蒸气室后干涉图案的旋转，通关测量图案的旋转角度就会反过来得到外加磁场的磁场强度。如图1所示，所述外腔半导体激光器(波长为795nm)产生一束由5S1/2(F＝2)到5P1/2(F＝1)能级跃迁产生的稳定激光，频率由饱和吸收光谱再通过反馈电路锁定。Sagnac干涉仪将一束线偏振激光分为轨道角动量量子数相反偏振方向相反的两束激光，两激光束的轨道角动量通过相位片分别为-2和2，该相位片用于给水平和竖直的偏振光加载不同的螺旋相位，最后产生一束叠加的对称光束。具体细节如下：利用Sagnac干涉仪产生轨道角动量和偏振的叠加光束，来自外腔二极管的795nm激光束通过四分之一波片和二分之一波片后变成45度的线性偏振光，偏振分束板(PBS1)让给水平和垂直方向的偏振分量相反的穿过螺旋相位板。叠加激光束射入铷原子蒸气室，热铷原子蒸气室内温度恒定为89摄氏度，蒸气室内铷原子密度为7.23×1012cm-3，蒸气室外部缠绕有自制的电磁线圈，并利用电阻丝作为滑动变阻器控制线圈电流，以获得精确的电磁场控制，产生的磁场强度和电流强度之比由DC磁力计精确测量。在一些实施例中，入射原子蒸气室内的激光束功率为21mV，激光束直径为3mm。在一些实施例中，蒸气室内纵向和横向的背景磁场强度分别为0.2±0.02G和0.14±0.03G。叠加激光束从铷原子蒸气室射出后，通过偏振分束器后，干涉图样射入高分辨率摄像机中，在显示器中显示高清晰度的干涉图样。本专利技术实施例的测量方法可以如下：首先，搭建实验光路图1所示：由外腔二极管产生波长为795nm的激光束，让激光光束通过四分之一波片和二分之一波片，通过后的光束为45度偏振的线性偏振光，通过一面反光镜将光束射入Sagnac干涉仪，光束通过Sagnac干涉仪后通过一个四分之一波片，之后射入热铷原子(Rb87)蒸气室中，蒸气室外缠绕有自制的电磁线圈，从蒸气室射出的光束通过偏振分束器2后用一个高分辨率摄像机观察干涉图案的变化。然后，Sagnac干涉仪配置轨道角动量和极化的初始状态光束：来自外腔二极管的795nm光束经过四分之一波片和二分之一波片后变成45度偏振的线性偏振光，因为装置中的偏振分束器允许水平和竖直的偏振分量相反的穿过螺旋相位板，螺旋相位板的厚度随着方位角顺时针和逆时针相反的叠加，最后水平和垂直分量的光束分别获得数值为-2和2的轨道角动量，随后，四分之一波片将两束不同相位的光转换成左和右圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁场强度测量装置，其特征在于包括：激光器，用于产生激光光束；第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。

【技术特征摘要】
1.一种磁场强度测量装置，其特征在于包括：激光器，用于产生激光光束；第一偏振组件，供激光光束通过，形成45度偏振的线性偏振光；Sagnac干涉仪，用于供所述线性偏振光射入形成干涉；第二偏振组件，从Sagnac干涉仪射出的干涉光进入该第二偏振组件后形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；铷原子蒸气室，配置为位于待测磁场强度的磁场中，用于供由第二四分之一波片射出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过；第一偏振分束器，供从铷原子蒸气室射出的偏振光通过；摄像机，检测从偏振分数器射出的偏振光所形成的干涉图案。2.根据权利要求1所述的磁场强度测量装置，其特征在于，所述第一偏振组件包括第一四分之一波片和二分之一波片，按照光路顺序依次设置第一四分之一波片和二分之一波片。3.根据权利要求1所述的磁场强度测量装置，其特征在于，所述第二偏振组件包括第二四分之一波片。4.根据权利要求1所述的磁场强度测量装置，其特征在于，所述Sagnac干涉仪包括：第一偏振分...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁冬生，李恩泽，史保森，郭光灿，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34