一种光纤型CPT原子磁力仪物理系统技术方案

本发明专利技术提供了一种光纤型CPT原子磁力仪物理系统，包括：主机、第一单模保偏光纤、光纤起偏器、第二单模保偏光纤、光纤1/4波片、原子气室、双绞加热丝、温度传感器、第一光纤连接器和第三单模保偏光纤；其中，主机包括尾纤VCSEL激光器、光纤光电探测器、第二光纤连接器和温控单元；双绞加热丝绕设于原子气室的外表面，温度传感器设置于原子气室的外表面，双绞加热丝和温度传感器通过温控电缆分别与温控单元相连接；双绞加热丝用于在原子气室内产生热量，温控单元通过温度传感器控制所述原子气室的温度。本发明专利技术降低了安装和调试光路的难度，提高了输出CPT信号的稳定性，减小了体积，降低了功耗，并且提高了测量磁场的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤型CPT原子磁力仪物理系统
本专利技术涉及微小型CPT磁力仪
，尤其涉及一种全光纤型CPT原子磁力仪物理系统。
技术介绍
高精度磁场测量技术在许多领域都有着非常广泛的应用，在地质学、材料科学、导航、磁异常检测、生物医学和基础科学研究等领域都发挥着越来越重要的作用。磁力仪的种类繁多，根据其特性的不同，不同种类的磁力仪有着不同的应用。基于相干布居陷俘原理(CoherentPopulationTrapping,CPT)的原子磁力仪，因为其独特的性质在很多领域有着很好的应用潜力。该磁力仪因其绝对测量的方案且无需校准，在导航和空间磁测方向有着很好的前景；其全光结构且易于小型化的特性，让它可以避免探头内金属的影响，可以很好地应用于生物磁测量；作为标量磁力仪，CPT磁力仪对测量方向不敏感，它还是地磁图绘制的合适候选。由此可见，其将来的应用领域非常广泛。当两相干激光与Λ能级的原子相互作用时，当双色光的频差与基态两能级频差相同，即拉曼共振时，原子被制备到相干叠加态，称为CPT态。处于CPT态的原子与光场解耦，不再与光场相互作用。1975年，Alzetta等人在使用两频率激光作用于Na原子团的实验中，首次发现了CPT现象。而将该现象应用于磁场测量领域，直到1992年才由德国科学家Scully首次提出，随后他们做了大量的理论和实验研究，并预测CPT磁力仪的灵敏度极限可达到1fT/Hz1/2。1999年，德国的Wynands教授利用充有Ne气的Cs泡获取了42Hz的CPT共振信号，并达到了12pT/Hz1/2的测量灵敏度。2004年，NIST的Kitching小组利用1mm3的芯片级CPT磁力仪获得了50pT/Hz1/2的灵敏度，且功耗仅195mW，成为光学磁力仪小型化的一个典型代表。目前，CPT磁力仪物理系统绝大多数采用自由空间的光学器件，如准直透镜、光强衰减片、1/4波片，因此整体物理系统的体积受限于传统光学器件体积。这种结构的CPT磁力仪物理系统有如下几方面缺点：1.由于传统CPT磁力仪的VCSEL激光器都设置在磁力仪探头部分，用于CPT信号所需的微波信号需要从主机电路中使用专用的高频电缆线连接到VCSEL激光器上，高频电缆线的晃动容易导致微波传输功率的不稳从而影响磁场测量的稳定度。2.由于自由空间用VCSEL激光器的出射光斑具有发散角，准直透镜用来将具有发散角的线偏振光转变为平行线偏振光，因此要求VCSEL激光管的出射口中心，准直透镜的焦点，1/4波片中心位置，原子气室轴线和光电探测器中心必须同轴。这种要求增加了安装和调试光路的难度，影响原子磁力仪的磁场测量稳定度。3.在原子气室温度一定的情况下，在光与碱金属原子的相互作用中，为提高CPT信号测量磁场的信噪比，需要增加光与原子相互作用的长度，由于准直后的光是平行光，要提高信噪比只能增加原子气室的长度，从而使得原子磁力仪的体积和功耗增大。4.原子气室由于是采用传统玻璃吹制技术制成，必然在注入碱金属和缓冲气体的密封口处形成一个小玻璃尖锥，这种原子气室的不对称结构会影响CPT磁力仪结构的紧凑性和稳定性。5.传统CPT磁力仪探头部分包含了VCSEL激光器和光电探测器等金属组件，这些组件会带来剩磁，探头剩磁会对磁力仪的磁场测量精度产生较大影响。
技术实现思路
CPT磁力仪磁场测量原理：以铷原子(87Rb)作为工作介质，未加外磁场情况下两个相干场在87Rb原子的D1线基态与激发态之间形成一个Λ模型系统的CPT共振信号，如图1(a)所示，并且这些子能级在磁场为零时都是简并的。有外磁场的情况下原子能级会发生塞曼分裂。当磁场与光的波矢方向平行时，两个圆频率分别为ω1和ω2的右旋圆偏振光同时作用于原子系统，由选择定则可知，此时的跃迁会构成如图1(b)所示的3个三能级Λ型CPT系统。相邻塞曼子能级的能量差与外磁场的关系如下：其中是基态|F1＝1,m1>和|F2＝2,m2>的能量差，m1和m2是基态F1＝1和F2＝2的磁量子数，Δhfs是基态|F1＝1,m1＝0>和|F2＝2,m2＝0>的频率差，γ是旋磁比，B是待测外磁场强度(单位：T)。通过对三个CPT共振峰频率的测量，就能计算得到相应的磁场强度。图2为磁场方向与光传播方向平行时所获得的CPT共振信号。外磁场为零时基态和激发态的能级都是简并的，只能观察到一个CPT共振信号峰；当磁场存在并且磁场方向平行于光传播方向时，不同磁量子数mF的塞曼子能级劈裂的宽度不同，这时就构成了三能级Λ系统(如图1(b)所示)。对于双光子跃迁Λ2系统：其中两个光场的频率差为Δhfs，与其对应的CPT共振信号峰还出现在原来的一个CPT共振处，即位于Δhfs/2处。同理，对于双光子跃迁Λ1，Λ3系统：这两组三能级Λ系统的光场的频率差则分别为Δhfs±2γB，相应的CPT共振中心在(Δhfs±2γB)/2处。此时，CPT共振信号变为三个峰。左边共振峰的幅度对应的CPT共振，(即Λ1系统)明显大于右边峰的幅度对应的CPT共振(即Λ3系统)。因为光抽运作用使得粒子更容易分布在磁量子数为负值的原子基态塞曼子能级上，考虑到光场同时耦合上能级|Fe＝1,m＝0>和|Fe＝1,m＝+1>的情况，振幅会相叠加，导致左边的共振峰大于右边。由于三个共振信号相互之间的频率间距为Δ＝|γ|B，即共振信号的频率间距与磁场强度成正比。只需测得频率的间距大小，即可计算出磁场强度B。本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤型CPT原子磁力仪物理系统，降低了安装和调试光路的难度，提高了输出CPT信号的稳定性，减小了体积，降低了功耗，并且提高了测量磁场的精度。本专利技术的技术解决方案：一种光纤型CPT原子磁力仪物理系统，包括：主机、第一单模保偏光纤、光纤起偏器、第二单模保偏光纤、光纤1/4波片、原子气室、双绞加热丝、温度传感器、第一光纤连接器和第三单模保偏光纤；其中，所述主机包括尾纤VCSEL激光器、光纤光电探测器、第二光纤连接器和温控单元；所述双绞加热丝绕设于所述原子气室的外表面，所述温度传感器设置于所述原子气室的外表面，所述双绞加热丝和所述温度传感器通过温控电缆分别与温控单元相连接；所述双绞加热丝用于在所述原子气室内产生热量，所述温控单元通过所述温度传感器控制所述原子气室的温度；所述尾纤VCSEL激光器用于产生线偏振光，所述线偏振光经所述第一单模保偏光纤传输到光纤起偏器后，通过调节光纤起偏器获得衰减的线偏振光，衰减后的线偏振光通过所述第二单模保偏光纤到达光纤1/4波片，经所述光纤1/4波片转换为圆偏振光，在缓冲气体和外界磁场的条件下所述圆偏振光在所述原子气室内与碱金属原子发生相互作用产生CPT光信号，所述光纤光电探测器用于接收所述CPT光信号，并将所述CPT光信号转换为CPT电信号，经过对该CPT电信号的解调和解算可获知当前当地位置处外界磁场的标量磁场值。上述光纤型CPT原子磁力仪物理系统中，光纤起偏器、第二单模保偏光纤、光纤1/4波片、原子气室、双绞加热丝、温度传感器和第一光纤连接器设置于壳体内。上述光纤型CPT原子磁力仪物理系统中，所述尾纤VCSEL激光器通过所述第一单模保偏光纤与光纤起偏器相连接，光纤起偏器通过第二单模保偏光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤型CPT原子磁力仪物理系统，其特征在于包括：主机、第一单模保偏光纤(21)、光纤起偏器(3)、第二单模保偏光纤(22)、光纤1/4波片(4)、原子气室(5)、双绞加热丝(6)、温度传感器(7)、第一光纤连接器(81)和第三单模保偏光纤(23)；其中，所述主机包括尾纤VCSEL激光器(1)、光纤光电探测器(9)、第二光纤连接器(82)和温控单元(10)；所述双绞加热丝(6)绕设于所述原子气室(5)的外表面，所述温度传感器(7)设置于所述原子气室(5)的外表面，所述双绞加热丝(6)和所述温度传感器(7)通过温控电缆(11)分别与温控单元(10)相连接；所述双绞加热丝(6)用于在所述原子气室(5)内产生热量，所述温控单元(10)通过所述温度传感器(7)控制所述原子气室(5)的温度；所述尾纤VCSEL激光器(1)用于产生线偏振光，所述线偏振光经所述第一单模保偏光纤(21)传输到光纤起偏器(3)后，通过调节光纤起偏器(3)获得衰减的线偏振光，衰减后的线偏振光通过所述第二单模保偏光纤(22)到达光纤1/4波片(4)，经所述光纤1/4波片(4)转换为圆偏振光，在缓冲气体和外界磁场的条件下所述圆偏振光在所述原子气室(5)内与碱金属原子发生相互作用产生CPT光信号，所述光纤光电探测器(9)用于接收所述CPT光信号，并将所述CPT光信号转换为CPT电信号，经过对该CPT电信号的解调和解算可获知当前当地位置处外界磁场的标量磁场值。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤型CPT原子磁力仪物理系统，其特征在于包括：主机、第一单模保偏光纤(21)、光纤起偏器(3)、第二单模保偏光纤(22)、光纤1/4波片(4)、原子气室(5)、双绞加热丝(6)、温度传感器(7)、第一光纤连接器(81)和第三单模保偏光纤(23)；其中，所述主机包括尾纤VCSEL激光器(1)、光纤光电探测器(9)、第二光纤连接器(82)和温控单元(10)；所述双绞加热丝(6)绕设于所述原子气室(5)的外表面，所述温度传感器(7)设置于所述原子气室(5)的外表面，所述双绞加热丝(6)和所述温度传感器(7)通过温控电缆(11)分别与温控单元(10)相连接；所述双绞加热丝(6)用于在所述原子气室(5)内产生热量，所述温控单元(10)通过所述温度传感器(7)控制所述原子气室(5)的温度；所述尾纤VCSEL激光器(1)用于产生线偏振光，所述线偏振光经所述第一单模保偏光纤(21)传输到光纤起偏器(3)后，通过调节光纤起偏器(3)获得衰减的线偏振光，衰减后的线偏振光通过所述第二单模保偏光纤(22)到达光纤1/4波片(4)，经所述光纤1/4波片(4)转换为圆偏振光，在缓冲气体和外界磁场的条件下所述圆偏振光在所述原子气室(5)内与碱金属原子发生相互作用产生CPT光信号，所述光纤光电探测器(9)用于接收所述CPT光信号，并将所述CPT光信号转换为CPT电信号，经过对该CPT电信号的解调和解算可获知当前当地位置处外...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢向东，张笑楠，寇军，孙晓洁，曹建勋，王学锋，王巍，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11