原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法技术

本发明专利技术公开了原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法，其中原子磁力计包括光源、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、无磁电加热膜、光学微腔、微纳光纤、分光棱镜、光谱仪和信号处理电路。光学微腔与微纳光纤相接触并且集成在所述碱金属原子气室内。通过测量光学微腔的谐振波长及波长变化量，计算出碱金属原子气室中的压强。该方法可以在碱金属原子气室的输出信号中同时提取原子磁力计的信号及碱金属原子气室的压强信号。能够在原子磁力计正常工作的同时进行碱金属原子气室压强的检测，并且具有较高的测量精度。同时，光学微腔不引入任何磁场噪声。该方法也可以用在其他利用碱金属原子气室的量子精密测量系统中。

【技术实现步骤摘要】
原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法
本专利技术涉及量子精密测量
，特别涉及原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法。
技术介绍
在高灵敏度原子磁力计中，为了减小碱金属原子的弛豫，通常需要在碱金属原子气室中冲入一定量的缓冲气体，以此来降低电子自旋破坏弛豫。同时，为了避免荧光效应对电子抽运产生影响，在碱金属原子气室中充入淬灭气体，用于捕获碱金属原子最外层电子退极化过程中辐射的光子，以避免荧光效应对电子抽运产生影响。缓冲气体与淬灭气体的气压对于碱金属原子的弛豫率和极化率产生影响，进而影响原子磁力计的灵敏度。因此，需要将碱金属原子气室的压强作为气室的重要参数进行检测。目前常用光谱吸收法进行碱金属原子吸收谱线的压力展宽测量，从而拟合得到碱金属原子气室的压强，但是这种方法的误差较大，难以精确测量碱金属原子气室的压强。同时，这种方法需要对光源进行调谐，在压力展宽的范围内进行测量，因此不能在原子磁力计工作的同时进行测量，降低了测量效率。为了在不影响高灵敏度原子磁力计正常工作的同时实现碱金属原子气室压强的高精度检测，需要对现有技术的原子磁力计进行改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种原子磁力计及其碱金属原子气室压强的原位检测方法，能在原子磁力计正常工作的同时进行碱金属原子气室压强的高精度检测。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：第一方面，本专利技术公开一种原子磁力计，包括光源、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、无磁电加热膜、光学微腔、微纳光纤、分光棱镜、光谱仪、光电探测器和信号处理电路；所述的无磁电加热膜设置在碱金属原子气室外表面，用于给碱金属原子气室加热；所述的光学微腔与微纳光纤相接触并且集成在所述碱金属原子气室内；光源发出的光依次经过起偏器、四分之一波片后入射到加热后的碱金属原子气室中，同时入射进微纳光纤的一端，在微纳光纤中传播的光耦合到光学微腔，然后通过微纳光纤的另一端射出后入射到分光棱镜；从碱金属原子气室射出的光也入射到分光棱镜；分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，从而计算出碱金属原子气室中的压强；另一束光入射到光电探测器，经光电探测器、信号处理电路处理后得到原子磁力计的外部磁场。进一步地，使用无磁电加热膜将碱金属原子气室加热至120℃～200℃。进一步地，所述的光学微腔与微纳光纤的材质为熔融石英，并且光学微腔与微纳光纤通过低折射率的聚合物封装。进一步地，所述的光学微腔的直径不超过500微米。进一步地，光学微腔的谐振波长与碱金属原子气室内碱金属原子的吸收波长不相同，使得在测量碱金属原子气室的压强时，光学微腔的谐振波长不与碱金属原子的吸收波长重合。进一步地，微纳光纤的腰区直径为1微米～10微米。进一步地，碱金属原子气室中的压强的计算公式为：其中：λ为光学微腔的谐振波长，Δλ为波长的变化量，P为碱金属原子气室内的压强，G和ν为光学微腔的材质的剪切模量和泊松比，n为光学微腔的材质的折射率，C1和C2为光学微腔的材质的弹光系数。第二方面，本专利技术公开一种原子磁力计的碱金属原子气室压强的原位检测方法，包括以下步骤：步骤S1、光源发出的光经过起偏器后变成线偏振光；步骤S2、线偏振光入射到四分之一波片后成为圆偏振光；步骤S3、圆偏振光入射到加热后的碱金属原子气室中，沿着碱金属原子气室中的微纳光纤传播耦合到光学微腔中，从微纳光纤另一端射出的光及从碱金属原子气室射出的光入射到分光棱镜；步骤S4、分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，另一束入射到光电探测器，经光电转换、信号处理后得到原子磁力计所处的外部环境的磁场。步骤S5、根据光学微腔的谐振波长及波长变化量计算出碱金属原子气室中的压强。进一步地，所述的步骤S5中碱金属原子气室中的压强的计算公式为：其中：λ为光学微腔的谐振波长，Δλ为波长的变化量，P为碱金属原子气室内的压强，G和ν为光学微腔的材质的剪切模量和泊松比，n为光学微腔的材质的折射率，C1和C2为光学微腔的材质的弹光系数。本专利技术的原子磁力计，把微纳光纤和光学微腔集成到碱金属原子气室中，通过测量光学微腔的谐波波长及波长变化量计算得到碱金属原子气室的压强。在原子磁力计工作的同时，不借助任何外界磁场就能实现碱金属原子气室压强的原位检测。本专利技术的微纳光纤和光学微腔由熔融石英制成，不引入任何磁场噪声，且测量精度很高，有利于原子磁力计的灵敏度提升。本专利技术的光学微腔与原子磁力计本身所利用同一束光，在不引入外部器件的情况下实现碱金属原子气室压强和外部磁场的测量。附图说明图1为本专利技术的原子磁力计的结构原理图。附图标记说明如下：1：光源,2：起偏器，3：四分之一波片，4：碱金属原子气室，5：无磁电加热膜，6：光学微腔，7：微纳光纤，8：分光棱镜，9：光谱仪，10：光电探测器，11：前置放大器，12：锁相放大器，13：信号采集处理电路。具体实施例下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。本专利技术的原子磁力计的结构原理图如图1所示。其中包括光源1、起偏器2、四分之一波片3、碱金属原子气室4、无磁电加热膜5、光学微腔6、微纳光纤7、分光棱镜8、光谱仪9、光电探测器10、前置放大器11、锁相放大器12、信号采集处理电路13。无磁电加热膜5设置在碱金属原子气室4的外表面，用于给碱金属原子气室4加热，优选加热至120℃～200℃。光学微腔6和微纳光纤7集成在碱金属原子气室4内。光源1发出的光依次经过起偏器2、四分之一波片3后入射到加热后的碱金属原子气室4，同时入射进微纳光纤7的一端，在微纳光纤7中传播的光耦合到光学微腔6，然后通过微纳光纤7的另一端射出后入射到分光棱镜8。从碱金属原子气室4射出的光也入射到分光棱镜8。分光棱镜8将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪9中进行光学微腔6的谐振波长及波长变换量的检测，从而根据光学微腔6的谐振波长及波长变换量计算出碱金属原子气室4中的压强。另一束依次经过光电探测器10、前置放大器11、锁相放大器12、信号采集处理电路13后测得的磁场大小。进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，光学微腔6与耦合用微纳光纤7接触，并通过低折射率(本专利技术将折射率小于1.4的称之为低折本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.原子磁力计，其特征在于，包括光源、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、无磁电加热膜、光学微腔、微纳光纤、分光棱镜、光谱仪、光电探测器和信号处理电路；所述的无磁电加热膜设置在碱金属原子气室外表面，用于给碱金属原子气室加热；所述的光学微腔与微纳光纤相接触并且集成在所述碱金属原子气室内；光源发出的光依次经过起偏器、四分之一波片后入射到加热后的碱金属原子气室中，同时入射进微纳光纤的一端，在微纳光纤中传播的光耦合到光学微腔，然后通过微纳光纤的另一端射出后入射到分光棱镜；从碱金属原子气室射出的光也入射到分光棱镜；分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，从而计算出碱金属原子气室中的压强；另一束光入射到光电探测器，经光电探测器、信号处理电路处理后得到原子磁力计的外部磁场。/n

【技术特征摘要】
1.原子磁力计，其特征在于，包括光源、起偏器、四分之一波片、碱金属原子气室、无磁电加热膜、光学微腔、微纳光纤、分光棱镜、光谱仪、光电探测器和信号处理电路；所述的无磁电加热膜设置在碱金属原子气室外表面，用于给碱金属原子气室加热；所述的光学微腔与微纳光纤相接触并且集成在所述碱金属原子气室内；光源发出的光依次经过起偏器、四分之一波片后入射到加热后的碱金属原子气室中，同时入射进微纳光纤的一端，在微纳光纤中传播的光耦合到光学微腔，然后通过微纳光纤的另一端射出后入射到分光棱镜；从碱金属原子气室射出的光也入射到分光棱镜；分光棱镜将接收的光分为两束，一束入射到光谱仪中检测光学微腔的谐振波长及波长变化量，从而计算出碱金属原子气室中的压强；另一束光入射到光电探测器，经光电探测器、信号处理电路处理后得到原子磁力计的外部磁场。


2.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，使用无磁电加热膜将碱金属原子气室加热至120℃～200℃。


3.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，所述的光学微腔与微纳光纤的材质为熔融石英，并且光学微腔与微纳光纤通过低折射率的聚合物封装。


4.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，所述的光学微腔的直径不超过500微米。


5.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在于，光学微腔的谐振波长与碱金属原子气室内碱金属原子的吸收波长不相同，使得在测量碱金属原子气室的压强时，光学微腔的谐振波长不与碱金属原子的吸收波长重合。


6.根据权利要求1所述的原子磁力计，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宾，
申请(专利权)人：北京未磁科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11