一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，包括抽运光路器件、探测光路器件、原子气室、三维亥姆霍兹线圈、偏振面检测装置和信号处理系统；原子气室内充有碱金属原子与缓冲气体；抽运光路器件包括依次串联设置的第一激光器、第一扩束准直装置和圆偏振光转换装置；探测光路器件包括第二激光器、第二扩束准直装置以及第一线偏振片。本发明专利技术还公开一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量方法。应用本发明专利技术的技术方案，效果是：整体结构精简；利用不同方向的旋转磁场，实现对基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间的精确测量；能够应用于研究光抽运与自旋弛豫以及评估原子磁力仪和原子自旋陀螺等的性能。

Measuring device and measuring method for transverse spin relaxation time of alkali metal atoms

The present invention provides a device for measuring the transverse spin relaxation time of an alkali metal atom, including pumping light circuit device, detecting optical circuit device, atomic gas chamber, three-dimensional Helmholtz coil, polarizing surface detection device and signal processing system; atomic gas chamber is filled with alkali metal atom and slow flushing gas; pumping optical device includes sequence. The first laser, the first beam expanding collimator and the circular polarized light conversion device are set up in series, and the probe optical path device includes second laser, second beam expanding collimator and the first line polarizer. The invention also discloses a method for measuring the transverse spin relaxation time of alkali metal atoms. Using the technical scheme of the invention, the overall structure is reduced and the rotating magnetic field of different directions is used to achieve the accurate measurement of the transverse spin relaxation time of the alkali metal atoms with different superfine energy levels in the ground state, and can be applied to the study of optical pumping and spin relaxation, and evaluation of atomic magnetometer and atomic spin gyroscope and so on. Performance.

【技术实现步骤摘要】
一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置及测量方法
本专利技术涉及测量
，特别地，涉及一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置及测量方法。
技术介绍
碱金属原子最外层只有一个电子，这使得碱金属原子呈现出许多独特的性质，并吸引了人们广泛的研究兴趣。目前，碱金属原子普遍地应用于原子钟、法拉第滤波器、原子干涉仪、原子自旋陀螺以及原子磁力仪等领域。对于碱金属原子的一些应用领域，如原子自旋陀螺和原子磁力仪，碱金属原子的横向自旋驰豫时间是一个极其重要的参量。碱金属原子的横向自旋弛豫时间直接决定着原子磁力仪的极限灵敏度和响应线宽，原子自旋陀螺的精度也与碱金属原子的横向自旋弛豫时间直接相关。因而，对碱金属原子横向自旋弛豫时间的精确测量有助于有效地评估原子磁力仪与原子自旋陀螺的性能。另外，对于碱金属原子的应用领域，普遍需要用光抽运的方法改变原子的布居。由于碱金属原子的横向自旋弛豫时间与光抽运有关，因而对碱金属原子的横向自旋弛豫时间的精确测量有助于光抽运的研究。随着人们对碱金属原子研究的深入，人们找到了多种提高碱金属原子横向自旋弛豫时间的有效途径，如向碱金属原子气室充入缓冲气体，以及对碱金属原子气室内壁镀抗弛豫膜。这些途径使得人们可以实现较长的碱金属原子横向自旋弛豫时间。当碱金属原子横向自旋弛豫时间延长时，碱金属原子的磁响应线宽变窄，碱金属原子的超精细结构变得可以分辨而需要考虑。在这种情况下，为了研究光抽运与自旋弛豫以及评估原子磁力仪和原子自旋陀螺等的性能，需要单独测量处于基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间。目前，对于碱金属原子横向自旋弛豫时间的测量，普遍采用传统的自由感应衰减法。这种方法实验操作简单、实验结果精确，因而长期作为一种标准的横向自旋弛豫时间测量方法。其需要施加频率等于磁共振频率的线偏振荡磁场，用于激励创生碱金属原子的横向自旋分量。当考虑超精细结构时，在振荡磁场的激励下，处于基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋分量都将创生。因而，若采用传统的自由感应衰减法测量处于基态某一超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间，测量将会受到处于基态另一超精细能级的碱金属原子的影响。为了精确测量处于基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间，需要单独激励处于基态不同超精细能级的碱金属原子。为了达到这一目的，需要考虑新的激励方式。
技术实现思路
本专利技术利用不同方向的旋转磁场，单独激励处于基态不同超精细能级的碱金属原子，实现对基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间的精确测量，具体技术方案如下：一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，包括抽运光路器件、探测光路器件、原子气室、三维亥姆霍兹线圈、偏振面检测装置以及信号处理系统；所述原子气室内充有碱金属原子与缓冲气体；所述抽运光路器件包括依次串联设置的第一激光器、第一扩束准直装置和圆偏振光转换装置，所述第一激光器用于输出抽运光，所述第一扩束准直装置用于将所述第一激光器输出的抽运光进行扩束准直处理，所述圆偏振光转换装置用于将所述第一扩束准直装置扩束准直处理后的抽运光转变为圆偏振光，圆偏振光用于极化原子气室中的碱金属原子；所述探测光路器件包括第二激光器、第二扩束准直装置以及第一线偏振片，所述第二激光器用于输出探测光，所述第二扩束准直装置用于将所述第二激光器输出的探测光进行扩束准直处理，所述第一线偏振片用于提高经过所述第二扩束准直装置扩束准直处理后的探测光的线偏振度，高线偏振度的探测光与原子气室中碱金属原子相互作用后，其偏振面会受到碱金属原子在探测光传播方向上的自旋极化的调制；所述三维亥姆霍兹线圈用于在所述原子气室处产生静磁场和旋转磁场；所述偏振面检测装置用于检测探测光偏振面的变化；所述信号处理系统同时与所述三维亥姆霍兹线圈和所述偏振面检测装置连接，用于采集所述偏振面检测装置所检测的探测光偏振面的变化信息和调节输入到所述三维亥姆霍兹线圈中的电流以控制其产生的静磁场和旋转磁场。以上技术方案中优选的，所述第一激光器为DFB半导体激光器，能被调节到碱金属原子D1线跃迁共振频率，输出抽运光；所述第二激光器为DFB半导体激光器，能被调节到碱金属原子D2线跃迁共振频率，输出探测光。以上技术方案中优选的，所述第一扩束准直装置和所述第一扩束准直装置均包括沿光路传播方向串联设置的两组凸透镜。以上技术方案中优选的，所述圆偏振光转换装置包括沿光路传播方向串联设置的第二线偏振片和λ/4玻片。以上技术方案中优选的，所述三维亥姆霍兹线圈由铜线绕制。以上技术方案中优选的，所述偏振面检测装置包括沿光路传播方向串联设置的λ/2玻片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器，所述λ/2玻片用于调节经过所述原子气室的探测光的偏振面的方向，所述沃拉斯特棱镜用于将线偏振光分为沿不同轴向偏振的两束光，平衡探测器用于对两束光的光强进行差分放大以输出反映探测光偏振面变化的信号。以上技术方案中优选的，所述信号处理系统包含数据采集卡和计算机，所述数据采集卡同时与所述三维亥姆霍兹线圈、平衡探测器和所述计算机连接。以上技术方案中优选的，所述抽运光沿z轴方向传播；所述探测光沿x轴方向传播，用于探测处于基态F＝I+1/2超精细能级的碱金属原子在x轴方向上的自旋极化P+x或处于基态F＝I-1/2超精细能级的碱金属原子在x轴方向上的自旋极化P-x，其中：F表示碱金属原子的总角动量的量子数，I表示碱金属原子的核自旋的量子数；所述沃拉斯特棱镜将线偏振光分为沿y轴与z轴偏振的两束光；信号处理系统驱动所述三维亥姆霍兹线圈产生旋转磁场与z轴方向的静磁场，旋转磁场为相对于静磁场进行逆时针旋转或顺时针旋转的磁场。本专利技术具体原理如下：选取三维直角坐标系，坐标系的三个轴分别为x轴、y轴与z轴。沿z轴方向施加抽运光和静磁场其中：B0表示静磁场的强度，且B0＞0，表示z轴方向上的单位矢量。在抽运光的作用下，大量碱金属原子将被极化，宏观上可用极化矢量来表征极化了的碱金属原子系综。对于处于基态F＝I+1/2与F＝I-1/2超精细能级的碱金属原子，其宏观极化矢量分别表示为P+与P-。当施加旋转磁场时，宏观极化矢量P+与P-随时间t的演化满足如下Bloch方程：其中：B1与ω分别表示旋转磁场的强度与频率；与分别表示x轴与y轴方向上的单位矢量；γ+与γ-分别表示处于基态F＝I+1/2与F＝I-1/2超精细能级的碱金属原子的旋磁比，γ+＜0，γ-＞0；P+x、P+y与P+z分别是P+沿x轴、y轴与z轴方向的分量；P-x、P-y与P-z分别是P-沿x轴、y轴与z轴方向的分量；P+0与P-0分别为不施加激励磁场且热平衡时的P+z与P-z；T2+与T2-分别表示处于基态F＝I+1/2与F＝I-1/2超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间；T1+与T1-分别表示处于基态F＝I+1/2与F＝I-1/2超精细能级的碱金属原子的纵向自旋弛豫时间。当时，旋转磁场相对于静磁场是顺时针的，由方程(1)可得P+x≈0，P+y≈0，而P-x与P-y可以为较大的值；同理，当时，旋转磁场相对于静磁场是逆时针的，由方程(1)可得P-x≈0，P-y＝0，而P+x与P+y可以为较大的值。因此，我们可以用顺时针旋转磁场单独激励处于基态F＝I-1/2超精细能级的碱金属原子，用逆时针旋转磁场单独本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，其特征在于：包括抽运光路器件(1)、探测光路器件(2)、原子气室(3)、三维亥姆霍兹线圈(4)、偏振面检测装置(5)以及信号处理系统(6)；所述原子气室(3)内充有碱金属原子与缓冲气体；所述抽运光路器件(1)包括依次串联设置的第一激光器(1.1)、第一扩束准直装置(1.2)和圆偏振光转换装置(1.3)，所述第一激光器(1.1)用于输出抽运光，所述第一扩束准直装置(1.2)用于将所述第一激光器(1.1)输出的抽运光进行扩束准直处理，所述圆偏振光转换装置(1.3)用于将所述第一扩束准直装置(1.2)扩束准直处理后的抽运光转变为圆偏振光，圆偏振光用于极化原子气室(3)中的碱金属原子；所述探测光路器件(2)包括第二激光器(2.1)、第二扩束准直装置(2.2)以及第一线偏振片(2.3)，所述第二激光器(2.1)用于输出探测光，所述第二扩束准直装置(2.2)用于将所述第二激光器(2.1)输出的探测光进行扩束准直处理，所述第一线偏振片(2.3)用于提高经过所述第二扩束准直装置(2.2)扩束准直处理后的探测光的线偏振度，高线偏振度的探测光与原子气室(3)中碱金属原子相互作用后，其偏振面会受到碱金属原子在探测光传播方向上的自旋极化的调制；所述三维亥姆霍兹线圈(4)用于在所述原子气室(3)处产生静磁场和旋转磁场；所述偏振面检测装置(5)用于检测探测光偏振面的变化；所述信号处理系统(6)同时与所述三维亥姆霍兹线圈(4)和所述偏振面检测装置(5)连接，用于采集所述偏振面检测装置(5)所检测的探测光偏振面变化信息和调节输入到所述三维亥姆霍兹线圈(4)中的电流以控制其产生的静磁场和旋转磁场。...

【技术特征摘要】
1.一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，其特征在于：包括抽运光路器件(1)、探测光路器件(2)、原子气室(3)、三维亥姆霍兹线圈(4)、偏振面检测装置(5)以及信号处理系统(6)；所述原子气室(3)内充有碱金属原子与缓冲气体；所述抽运光路器件(1)包括依次串联设置的第一激光器(1.1)、第一扩束准直装置(1.2)和圆偏振光转换装置(1.3)，所述第一激光器(1.1)用于输出抽运光，所述第一扩束准直装置(1.2)用于将所述第一激光器(1.1)输出的抽运光进行扩束准直处理，所述圆偏振光转换装置(1.3)用于将所述第一扩束准直装置(1.2)扩束准直处理后的抽运光转变为圆偏振光，圆偏振光用于极化原子气室(3)中的碱金属原子；所述探测光路器件(2)包括第二激光器(2.1)、第二扩束准直装置(2.2)以及第一线偏振片(2.3)，所述第二激光器(2.1)用于输出探测光，所述第二扩束准直装置(2.2)用于将所述第二激光器(2.1)输出的探测光进行扩束准直处理，所述第一线偏振片(2.3)用于提高经过所述第二扩束准直装置(2.2)扩束准直处理后的探测光的线偏振度，高线偏振度的探测光与原子气室(3)中碱金属原子相互作用后，其偏振面会受到碱金属原子在探测光传播方向上的自旋极化的调制；所述三维亥姆霍兹线圈(4)用于在所述原子气室(3)处产生静磁场和旋转磁场；所述偏振面检测装置(5)用于检测探测光偏振面的变化；所述信号处理系统(6)同时与所述三维亥姆霍兹线圈(4)和所述偏振面检测装置(5)连接，用于采集所述偏振面检测装置(5)所检测的探测光偏振面变化信息和调节输入到所述三维亥姆霍兹线圈(4)中的电流以控制其产生的静磁场和旋转磁场。2.根据权利要求1所述的碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，其特征在于：所述第一激光器(1.1)为DFB半导体激光器，能被调节到碱金属原子D1线跃迁共振频率，输出抽运光；所述第二激光器(2.1)为DFB半导体激光器，能被调节到碱金属原子D2线跃迁共振频率，输出探测光。3.根据权利要求1所述的碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，其特征在于：所述第一扩束准直装置(1.2)和所述第二扩束准直装置(2.2)均包括沿光路传播方向串联设置的两组凸透镜(T)。4.根据权利要求1所述的碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，其特征在于：所述圆偏振光转换装置(1.3)包括沿光路传播方向串联设置的第二线偏振片(1.31)和λ/4玻片(1.32)。5.根据权利要求1-4任意一项所述的碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，其特征在于：所述三维亥姆霍兹线圈(4)由铜线绕制。6.根据权利要求5所述的碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，其特征在于：所述偏振面检测装置(5)包括沿光路传播方向串联设置的λ/2玻片(5.1)、沃拉斯特棱镜(5.2)和平衡探测器(5.3)，所述λ/2玻片(5.1)用于调节经过所述原子气室(3)的探测光的偏振面的方向，所述沃拉斯特棱镜(5.2)用于将线偏振光分为沿不同轴向偏振的两束光，所述平衡探测器(5.3)用于对两束光的光强进行差分放大以输出反映探测光偏振面变化的信号。7.根据权利要求6所述的碱金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁志超，袁杰，龙兴武，姜鹏，罗晖，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43