一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法，通过上位机对于声光调制器与磁场线圈的同时控制，测量SERF原子磁场测量装置在关闭抽运光情况下在不同偏置磁场中的瞬态响应，而后通过对于瞬态响应的拟合实现对于光频移测量，并通过改变检测光位置，实现对于光频移梯度的测量。实现对于光频移梯度的测量。实现对于光频移梯度的测量。

【技术实现步骤摘要】
一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法


[0001]本专利技术涉及SERF原子磁场测量装置测量技术，具体涉及一种SERF原子磁场测量装置光频移梯度测量装置与方法，通过上位机对于声光调制器与磁场线圈的同时控制，测量SERF原子磁场测量装置在关闭抽运光情况下在不同偏置磁场中的瞬态响应，而后通过对于瞬态响应的拟合实现对于光频移测量，并通过改变检测光位置，实现对于光频移梯度的测量。

技术介绍

[0002]光频移是光与原子相互作用产生的一种物理现象。在原子磁场测量装置中，当圆偏振的抽运光与碱金属原子(如钾、铷、铯等)相互作用时，由于ac
‑
Stark效应引起的光频移矢量分量会以虚拟磁场的形式被碱金属原子感受到。SERF(spin
‑
exchange relaxation
‑
free)原子磁场测量装置是一种高精度磁场测量设备，由于其工作在极低外磁场的条件下，因此光频移引起的虚拟磁场会极大地影响SERF原子磁场测量装置性能，并且导致磁场测量误差。
[0003]由于光频移与激光频率直接相关，因此常用的光频移抑制方法为调整抽运光频率至原子光学吸收谱线中心频率，此频率也称为光频移零点。但是在SERF磁场测量装置中碱金属原子数密度大，缓冲气体压强高，对于光学吸收谱线中心的测量较为困难。通过测量光频移与激光频率，从而寻找光频移零点是解决此问题的一种方法。寻找光频移零点时需要精确测量光频移，但是目前的光频移测量方法并非对于光频移进行直接测量，而是利用磁补偿方法记录光频移虚拟磁场对应的磁补偿值，此方法受到磁场补偿精度限制，且测量时间长，受到磁场波动影响较大，精度不够理想。
[0004]此外，SERF磁场测量装置中抽运光在碱金属气室中会被吸收，因此光频移在碱金属气室中存在一定的梯度，此梯度也会影响SERF原子磁场测量装置性能，需要对其及逆行测量与分析。目前，尚无对于光频移梯度进行测量的装置。有鉴于此，本专利技术人完成了本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术的缺陷或不足，提供一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法，通过上位机对于声光调制器与磁场线圈的同时控制，测量SERF原子磁场测量装置在关闭抽运光情况下在不同偏置磁场中的瞬态响应，而后通过对于瞬态响应的拟合实现对于光频移测量，并通过改变检测光位置，实现对于光频移梯度的测量。这一方法直接对于光频移进行测量，测量时间更短，受磁场波动影响小，测量灵敏度不受磁场补偿精度限制，有利于提升光频移测量精度。
[0006]本专利技术的技术解决方案如下：
[0007]一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，在SERF原子磁场测量装置的抽运系统中设置声光调制器，所述声光调制器位于偏振分光棱镜至扩束系统
之间的抽运光光路上，所述声光调制器通过声光调制器控制器连接到上位机，所述上位机通过波形发生器连接偏置磁场产生系统中的三轴磁场线圈，在SERF原子磁场测量装置的检测系统中设置附带第一位移台的第二反射镜，所述第二反射镜位于第一反射镜至第一起偏器之间的检测光光路上，所述第一起偏器依次通过光弹调制器、第一四分之一波片、碱金属气室和检偏器连接带有第二位移台的光电探测器，所述光电探测器通过锁相放大器连接数据采集系统，所述第一反射镜连接检测激光器。
[0008]所述声光调制器的开启与关闭控制抽运光的开启与关断，所述三轴磁场线圈由波形发生器提供驱动电流，所述上位机输出控制信号，在控制声光调制器关闭的同时由三轴磁场线圈施加偏置磁场，使SERF原子磁场测量装置产生瞬态响应，所述数据采集系统对瞬态响应信息进行采集，所述第一位移台用于改变检测激光器发出的检测激光的位置，所述第二位移台用于调节光电探测器位置以适配检测激光位置的改变。
[0009]所述扩束系统依次通过第四反射镜、第二起偏器和第二四分之一波片连接碱金属气室，抽运光沿z轴穿越所述碱金属气室，检测光沿x轴穿越所述碱金属气室，所述偏振分光棱镜的输入侧依次通过二分之一波片和第三反射镜连接抽运激光器，所述偏振分光棱镜的透射侧通过光纤耦合器连接波长计，所述波长计用于监测和调整所述抽运光频率。
[0010]所述声光调制器在开启状态下，抽运光通过声光调制器后会产生一个偏转角度，而后经过扩束系统射向第四反射镜，抽运光为开启状态；当所述声光调制器在关闭状态下，抽运光通过声光调制器后不发生偏转，在经过扩束系统后无法入射到反射镜，抽运光为关断状态。
[0011]所述的碱金属气室外设置有无磁电加热系统，三轴磁场线圈，与磁屏蔽系统。
[0012]一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法，其特征在于，采用上述SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置对于SERF原子磁场测量装置的光频移梯度进行测量。
[0013]包括以下步骤：
[0014]步骤1，打开抽运激光器与检测激光器，调节抽运激光器使输出的抽运光调节至碱金属原子D1线附近，控制声光调制器控制器打开声光调制器，此时抽运光为开启状态，之后利用三轴磁场线圈对于SERF原子磁场测量装置进行三轴磁补偿，使碱金属原子气室中的碱金属原子感受到的磁场为零；
[0015]步骤2，保持抽运光开启状态至少5秒后，上位机发出触发信号，控制声光调制器关闭的同时控制三轴磁场线圈在Y方向上施加一个3nT的直流偏置磁场B
y
，记录触发信号发出后1秒内数据采集系统内采集到的瞬态响应信息S(t)，之后通过上位机控制声光调制器开启，并且控制三轴磁场线圈撤销直流偏置磁场，记录施加的偏置磁场幅值为B
y1
；
[0016]步骤3，通过拟合步骤2中采集到的S(t)计算碱金属原子感受到的总磁场幅值B
tot
，拟合公式如下：
[0017][0018]其中k为常数，R
rel
为碱金属原子弛豫率，q(0)为碱金属原子在极化率为0时的减慢因子，γ
e
是电子旋磁比，记录计算得到的总磁场为B
tot1
；
[0019]步骤4，将步骤2中的直流偏置磁场B
y
设置为5nT，7nT，9nT，11nT，重复步骤2与步骤3，分别记录得到的B
y2
，B
y3
，B
y4
，B
y5
与B
tot2
，B
tot3
，B
tot4
，B
tot5
，通过公式拟合得到光频移虚拟磁场B
LS
，拟合公式如下：
[0020][0021]步骤5，通过公式计算光频移数值ΔE，公式如下：
[0022][0023]其中为约化普朗克常数，J为碱金属原子电子角动量量子数；
[0024]步骤6，同步调节第一位移台与第二位移台，改变检测光与光电探测器位置，重复步骤2至步骤5，记录各位置光频移，计算得到光频移梯度。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，在SERF原子磁场测量装置的抽运系统中设置声光调制器，所述声光调制器位于偏振分光棱镜至扩束系统之间的抽运光光路上，所述声光调制器通过声光调制器控制器连接到上位机，所述上位机通过波形发生器连接偏置磁场产生系统中的三轴磁场线圈，在SERF原子磁场测量装置的检测系统中设置附带第一位移台的第二反射镜，所述第二反射镜位于第一反射镜至第一起偏器之间的检测光光路上，所述第一起偏器依次通过光弹调制器、第一四分之一波片、碱金属气室和检偏器连接带有第二位移台的光电探测器，所述光电探测器通过锁相放大器连接数据采集系统，所述第一反射镜连接检测激光器。2.根据权利要求1所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，所述声光调制器的开启与关闭控制抽运光的开启与关断，所述三轴磁场线圈由波形发生器提供驱动电流，所述上位机输出控制信号，在控制声光调制器关闭的同时由三轴磁场线圈施加偏置磁场，使SERF原子磁场测量装置产生瞬态响应，所述数据采集系统对瞬态响应信息进行采集，所述第一位移台用于改变检测激光器发出的检测激光的位置，所述第二位移台用于调节光电探测器位置以适配检测激光位置的改变。3.根据权利要求2所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，所述扩束系统依次通过第四反射镜、第二起偏器和第二四分之一波片连接碱金属气室，抽运光沿z轴穿越所述碱金属气室，检测光沿x轴穿越所述碱金属气室，所述偏振分光棱镜的输入侧依次通过二分之一波片和第三反射镜连接抽运激光器，所述偏振分光棱镜的透射侧通过光纤耦合器连接波长计，所述波长计用于监测和调整所述抽运光频率。4.根据权利要求3所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，所述声光调制器在开启状态下，抽运光通过声光调制器后会产生一个偏转角度，而后经过扩束系统射向第四反射镜，抽运光为开启状态；当所述声光调制器在关闭状态下，抽运光通过声光调制器后不发生偏转，在经过扩束系统后无法入射到反射镜，抽运光为关断状态。5.根据权利要求1所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，所述的碱金属气室外设置有无磁电加热系统，三轴磁场线圈，与磁屏蔽系统。6.一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法，其特征在于，采用上述SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置对于SERF原子磁场测量装置的光频...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆吉玺，马彦宁，王耀国，孙博文，翟跃阳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：