一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法，它包括如下步骤，步骤一：驱动光频率设定；步骤二：电子自旋磁共振线宽测量；步骤三：驱动光功率优化；步骤四：电子自旋密度优化。本发明专利技术的有益效果在于：采用大功率驱动光极化电子自旋基态低超精细能级。通过提高原子极化率实现磁共振线宽压窄，从而提升磁场测量灵敏度，尤其适用于高密度、小体积的缓冲气体气室。一方面，缓冲气体气室一致性较好、良品率较高，适合工程化应用；另一方面，采用高密度、小体积气室大幅降低原子磁强计整表体积，使原子磁强计可以应用于脑磁图、无人磁异探测等热点领域，拓宽了该电子自旋磁场测量方法的应用范围。

A high sensitive magnetic field measurement method based on linewidth narrowing of ESMR

【技术实现步骤摘要】
一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法
本专利技术属于一种高灵敏的磁场测量方法，具体涉及一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法，适用于各类微弱磁场测量领域。
技术介绍
通过电子自旋在外磁场中的拉莫尔进动的检测可以实现微弱磁场信号的测量。基于该方法构建的原子磁强计具有灵敏度高，标度因数稳定等特点，已广泛应用于各类磁场测量领域。近年来，随着原子气室微加工、高功率小型半导体激光器等前沿技术进展，在脑磁图、无人磁异探测等前沿应用需求的推动下，原子磁强计正向高灵敏、小体积的方向发展。电子自旋磁场测量的本征灵敏度可以简化表示为：(1)中γ为旋磁比，对特定原子为常量；Γ为电子自旋磁共振线宽，受多种弛豫因素影响；n为原子密度，可通过改变温度调节；V为原子气室体积。随着原子磁强计体积减小，原子气室体积随之降低，抑制了电子自旋的磁场测量能力。一般通过提高原子气室的温度来提高电子自旋密度，提高磁场测量的灵敏度。传统的电子自旋磁场测量方法通过功率较弱的驱动光极化电子自旋基态高超精细能级。其特点是可以在电子自旋密度相对较低时获得非常窄的磁共振线宽，从而达到较优的灵敏度。然而，这种测量方法同样使得电子自旋的极化率较低，电子自旋相对均匀的布居在各超精细能级上。随着电子自旋密度的提高，传统测量方式下不同超精细能级上的自旋交换碰撞弛豫迅速提升，导致电子自旋磁共振线宽展宽明显，进而限制了磁场测量的灵敏度。因此，需要设计一种电子自旋磁场测量方法，解决高原子密度下磁共振线宽展宽问题，提升磁场测量灵敏度。进而满足目前高灵敏、小体积原子磁强计的应用需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法，通过提高原子极化率实现磁共振线宽压窄，从而提高磁场测量灵敏度。本专利技术的技术方案如下：一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法，它包括如下步骤，步骤一：驱动光频率设定；为实现电子自旋磁共振线宽压窄，驱动光频率应调整到电子自旋基态低超精细能级，通过原子气室饱和吸收法可以实现驱动光频率的测量，通过调节激光器工作电流可以调节驱动光功率，通过调节激光器工作温度可以调节驱动光频率；步骤二：电子自旋磁共振线宽测量；步骤三：驱动光功率优化；步骤四：电子自旋密度优化。所述的步骤一包括如下步骤，(1)扫描驱动激光器工作电流，扫描宽度覆盖原子气室饱和吸收峰；(2)粗调激光器工作温度，直至驱动光透过原子气室后的功率可以观测到饱和吸收峰；(3)细调激光器工作温度，使工作电流扫描中心对应F＝3超精细能级所在吸收峰；(4)持续降低电流扫描宽度，重复步骤(4)，直至扫描范围为零。所述的步骤二：(1)向原子气室施加与驱动光方向平行的静磁场B，以电子自旋进动频率γB为中心扫描激励磁场频率；(2)通过激励信号及电子自旋进动信号解算电子自旋色散曲线；(3)分别记录色散曲线最大、最小值对应的激励磁场频率，则两频率差的一半为电子自旋磁共振线宽。所述的步骤三：包括通过较强的驱动光极化电子自旋基态低超精细能级可实现磁共振线宽压窄，但过高的光功率使得抽运率过大，同样使得电子自旋磁共振线宽展宽，通过合理优化驱动光功率，可有效实现电子自旋磁共振线宽压窄。所述的步骤三：包括(1)调节驱动光电流，完成步骤二、步骤三，记录电子自旋磁共振线宽。所述的步骤三包括(2)以5％-15％提高驱动光功率，重复步骤1，直至记录到电子自旋磁共振线宽先降低后增大的完整过程，则磁共振线宽最低时对应的驱动光功率为优化点。所述的步骤四包括(1)以室温为初始原子气室温度设定点；(2)完成步骤三，记录磁共振信号斜率，即电子自旋磁共振强度与线宽之比；(3)以1℃-5℃为步长提高原子气室温度，重复步骤(2)，直到记录的磁共振信号斜率随原子气室温度升高而降低，则记录的磁共振信号斜率最大值对应原子气室温度优化点，此时磁场测量灵敏度最优。本专利技术的有益效果在于：现有技术采用相对较弱的功率极化电子自旋基态高超精细能级，以得到较低的磁共振线宽，从而获得磁场测量灵敏度。然而现有技术仅适用于大体积的镀膜气室。一方面，镀膜气室工艺不稳定，一致性不高、良品率较低，不利于原子磁强计的工程化应用；另一方面，大体积的气室要求与之匹配的大截面光束、大体积光路，不符合当今高灵敏、小体积原子磁强计的应用需求与发展方向。现有技术不能解决电子自旋交换碰撞弛豫引起的磁共振线宽展宽问题，导致高密度电子自旋的磁场测量灵敏度显著衰退。本专利技术采用大功率驱动光极化电子自旋基态低超精细能级。通过提高原子极化率实现磁共振线宽压窄，从而提升磁场测量灵敏度，尤其适用于高密度、小体积的缓冲气体气室。一方面，缓冲气体气室一致性较好、良品率较高，适合工程化应用；另一方面，采用高密度、小体积气室大幅降低原子磁强计整表体积，使原子磁强计可以应用于脑磁图、无人磁异探测等热点领域，拓宽了该电子自旋磁场测量方法的应用范围。在相同气室体积的条件下，本专利技术所述的基于电子自旋磁共振线宽压窄的磁场测量方法相比现有技术可使灵敏度提升约1个量级。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术采用大功率驱动光极化电子自旋基态低超精细能级。通过提高原子极化率实现磁共振线宽压窄，从而提高磁场测量灵敏度。首先通过饱和吸收法设定驱动光频率对应电子自旋基态低超精细能级从而具备实现磁共振线宽压窄的前提条件；其次通过扫场法测量电子自旋磁共振线宽，具备电子自旋磁共振线宽压窄的评判依据；然后通过优化驱动光功率提高电子自旋的极化率，实现电子自旋磁共振线宽压窄；最后通过优化电子自旋密度实现高灵敏的磁场测量。具体实施步骤如下：步骤一：驱动光频率设定为实现电子自旋磁共振线宽压窄，驱动光频率应调整到电子自旋基态低超精细能级，以Cs原子为例，即为F＝3超精细能级。通过原子气室饱和吸收法可以实现驱动光频率的测量。通过调节激光器工作电流可以调节驱动光功率，通过调节激光器工作温度可以调节驱动光频率，具体的驱动光频率设定步骤如下：(1)扫描驱动激光器工作电流，扫描宽度覆盖原子气室饱和吸收峰；(2)粗调激光器工作温度，直至驱动光透过原子气室后的功率可以观测到饱和吸收峰；(3)细调激光器工作温度，使工作电流扫描中心对应F＝3超精细能级所在吸收峰；(4)持续降低电流扫描宽度，重复步骤(4)，直至扫描范围为零。步骤二：电子自旋磁共振线宽测量通过扫描激励磁场频率测量电子自旋磁共振线宽，具体步骤如下：(1)向原子气室施加与驱动光方向平行的静磁场B，以电子自旋进动频率γB为中心扫描激励磁场频率；(2)通过激励信号及电子自旋进动信号解算电子自旋色散曲线；(3)分别记录色散曲线最大、最小值对应的激励磁场频率，则两频率差的一半为电子自旋磁共振线宽。步骤三：驱动光功率优化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法，其特征在于：它包括如下步骤，/n步骤一：驱动光频率设定；/n为实现电子自旋磁共振线宽压窄，驱动光频率应调整到电子自旋基态低超精细能级，通过原子气室饱和吸收法可以实现驱动光频率的测量，通过调节激光器工作电流可以调节驱动光功率，通过调节激光器工作温度可以调节驱动光频率；/n步骤二：电子自旋磁共振线宽测量；/n步骤三：驱动光功率优化；/n步骤四：电子自旋密度优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法，其特征在于：它包括如下步骤，
步骤一：驱动光频率设定；
为实现电子自旋磁共振线宽压窄，驱动光频率应调整到电子自旋基态低超精细能级，通过原子气室饱和吸收法可以实现驱动光频率的测量，通过调节激光器工作电流可以调节驱动光功率，通过调节激光器工作温度可以调节驱动光频率；
步骤二：电子自旋磁共振线宽测量；
步骤三：驱动光功率优化；
步骤四：电子自旋密度优化。


2.如权利要求1所述的一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法，其特征在于：所述的步骤一包括如下步骤，
(1)扫描驱动激光器工作电流，扫描宽度覆盖原子气室饱和吸收峰；
(2)粗调激光器工作温度，直至驱动光透过原子气室后的功率可以观测到饱和吸收峰；
(3)细调激光器工作温度，使工作电流扫描中心对应F＝3超精细能级所在吸收峰；
(4)持续降低电流扫描宽度，重复步骤(4)，直至扫描范围为零。


3.如权利要求1所述的一种基于电子自旋磁共振线宽压窄的高灵敏磁场测量方法，其特征在于：所述的步骤二：
(1)向原子气室施加与驱动光方向平行的静磁场B，以电子自旋进动频率γB为中心扫描激励磁场频率；
(2)通过激励信号及电子自旋进动信号解算电子自旋色散曲线；
(3)分别记录色散曲线最大、最小值对应的激励磁场频率，则两频率差的一半为...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦杰，郭宇豪，万双爱，刘建丰，王春娥，薛帅，孙晓光，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11