一种自动磁场测量方法及装置与流程

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种自动磁场测量方法及装置。

背景技术：

磁场测量技术在生物医学、军事技术以及工业等各领域均有着广泛的应用。针对磁场测量，目前存在多种测量方法，包括电磁感应法、磁通门法，霍尔效应法、超导效应法以及磁共振法等，其中由于在交变磁场的饱和激励下，处在被测磁场中磁芯的磁感应强度与被测磁场的磁场强度之间存在非线性关系，磁通门法即是利用该特性进行测量；霍尔效应法即是利用霍尔效应测量磁场，霍尔效应是当外磁场垂直于流过金属或半导体中的电流时，会在金属或半导体中垂直于电流和外磁场的方向产生电动势；磁共振法是利用物质量子状态变化来测量磁场。不同场合下通常需要采用不同的磁场测量方法，如磁通门法通常用于测量恒定的或缓慢变化的弱磁场，霍尔效应法用于测量小间隙磁场，磁共振法用于测量均匀的恒定磁场。上述测量方法测量过程复杂，对测量环境要求较高，不能同时满足野外测量等各类测量环境的测量需求，且通常是基于人工测量方式，测量效率低、容易产生测量误差。

利用拉曼谱能够测量任意位置的磁场强度，测量过程简单、测量范围大且测量精度高，但是目前测量拉曼谱时，通常都是基于人工测量方式，即由人工不断调节拉曼光频率、作用时间等测量参数以获取到拉曼谱，测量过程不便、测量效率低，同时需要非常长的测量时间，而在较长的测量时间内，测量结果非常容易受磁场漂移的影响产生测量误差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现操作简单、能够实现自动磁场测量且测量精度及效率高的自动磁场测量方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种自动磁场测量方法，步骤包括：

s1.制备冷原子团；

s2.将制备的冷原子团上抛或自由下落；

s3.当原子进入待测真空腔后利用两束拉曼激光与原子相互作用，使得原子团产生拉曼跃迁；

s4.探测原子的跃迁概率；

s5.扫描两束拉曼激光的相对频率，重复执行步骤s1～s5，直至获得当前作用位置处的拉曼谱；

s6.延迟拉曼π脉冲与原子作用的时间，重复执行步骤s1～s6，直至获得待测真空腔内不同作用位置处的拉曼谱；

s7.由所述待测真空腔内不同作用位置处的拉曼谱计算不同位置处的磁场强度。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s1中具体在磁光阱中，通过调节磁光阱的参数制备处于f＝2的原子态上、温度≤10μk的冷原子团。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s3中具体使用拉曼π脉冲与原子相互作用，所述拉曼π脉冲具体为小于2ms的短脉冲。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s5中扫描拉曼激光的相对频率时的扫频步进小于拉曼π脉冲的频域展宽，以及扫频范围大于原子一阶塞曼频移。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s4的具体步骤为：预先布置用于探测原子态的探测腔，当原子经过探测腔时，打开探测光并持续指定长时间后，测量当前处于f＝2态的原子数n2，间隔预设第一时间后将处于f＝1态的原子回泵到f＝2态，并在预设第二时间后再次打开探测光，测量当前原子团中处于f＝1态和f＝2态的总原子数为n1+n2，按照p1＝1-n2/(n1+n2)计算得到原子的跃迁概率。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s7的具体步骤为：

s71.分别获取左旋圆偏振拉曼激光、右旋圆偏振拉曼激光下所述待测真空腔内不同作用位置处的拉曼谱，由对应于左旋圆偏振拉曼激光、右旋圆偏振拉曼激光下所述拉曼谱中的三个共振频率分别计算第一共振频率与第三共振频率之差，得到共振频率差；

s72.分别根据所述共振频率差计算得到左旋圆偏振状态的磁场强度b左、右旋圆偏振状态的磁场强度b右；

s73.根据所述左旋圆偏振状态的磁场强度b左、右旋圆偏振状态的磁场强度b右计算绝对磁场强度

本发明进一步提供一种用于实施上述自动磁场测量方法的装置，包括：

磁光阱组件，用于制备及囚禁冷原子团；

待测真空腔；

量子化磁场线圈，设置在所述待测真空腔外，用于产生量子化磁场；

拉曼激光系统，用于产生两束拉曼激光，并对两束拉曼激光的频率和相位进行控制；

原子态探测系统，用于探测原子的跃迁概率；

以及时序控制系统，用于控制磁光阱捕获、释放或上抛原子团、拉曼激光与原子团作用的时间以及原子末态的探测。

作为本发明方法的进一步改进：所述磁光阱组件中制备的冷原子团处于f＝2的原子态上，且温度≤10μk。

作为本发明装置的进一步改进：所述原子态探测系统包括探测光、回泵光、光学反射镜、光学成像透镜以及光电探测系统，当原子经过探测腔时，打开所述探测光并持续指定长时间后，所述光电探测系统测量当前处于f＝2态的原子数，间隔预设第一时间后施加回泵光以将处于f＝1态的原子回泵到f＝2态，并在预设第二时间后再次打开探测光，所述光电探测系统测量当前原子团中处于f＝1态和f＝2态的总原子数，得到原子的跃迁概率。

作为本发明装置的进一步改进：还包括光学1/4波片用于调整拉曼激光的偏振方向，所述光学1/4波片设置于待测真空腔的顶部位置处。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明自动磁场测量方法及装置，通过制备冷原子团并在待测真空腔内使拉曼脉冲与原子团相互作用，同时结合拉曼激光频率扫描和拉曼激光与原子相互作用位置扫描的二维扫描方式测量待测真空腔内不同位置处的拉曼谱。基于二维扫描方式能够实现整个干涉腔内磁场的自动化测量，无需人工参与，测量效率及精度高，且磁场测量范围大，可测量整个真空腔内的磁场强度。

2)本发明自动磁场测量方法及装置，基于二维扫描的方式对整个真空腔内的磁场进行自动化测量，无需人工干预，使得可以结合使用短脉冲、大步进的扫描方式，能够极大的提高测量效率，缩短测量所需时间。

3)本发明自动磁场测量方法及装置，结合二维扫描方式，通过使用小于2ms的短脉冲，对应可以使用大的扫频步进，可以极大的缩短测量所需时间，提高测量效率。

4)本发明自动磁场测量方法及装置，通过控制时序控制磁光阱捕获、释放或上抛原子团，拉曼激光与原子团作用的时间以及原子末态的探测，从而无需人工参与即可实现整个真空腔内磁场的自动测量，测量过程简单，可以方便地适用于实验室以及野外等各类测量环境中。

附图说明

图1是本实施例自动磁场测量方法的实现流程示意图。

图2是本发明具体实施例中所采用的自动磁场测量装置的第一种结构原理示意图。

图3是本发明具体实施例中所采用的自动磁场测量装置的第二种结构原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例自动磁场测量方法步骤包括：

s1.制备冷原子团；

s2.将制备的冷原子团上抛或自由下落；

s3.当原子进入待测真空腔后利用两束拉曼激光与原子相互作用，使得原子团产生拉曼跃迁；

s4.探测原子的跃迁概率；

s5.扫描两束拉曼激光的相对频率，重复执行步骤s1～s5，直至获得当前作用位置处的拉曼谱；

s6.延迟拉曼激光与原子作用的时间，重复执行步骤s1～s6，直至获得待测真空腔内不同作用位置处的拉曼谱；

s7.由待测真空腔内不同作用位置处的拉曼谱计算不同位置处的磁场强度。

本实施例通过制备冷原子团并当原子进入待测真空腔后使拉曼脉冲与原子团相互作用，同时结合拉曼激光频率扫描和磁场空间目标位置扫描的方式，测量待测真空腔内不同位置处的拉曼谱，能够基于二维扫描方式实现整个干涉腔内磁场的自动化测量，无需人工参与即可自动实现磁场测量，测量效率及精度高，且基于二维扫描可以使用短脉冲、长步进的扫描方式，极大提高了测量效率，所得到的磁场测量精度高、磁场测量范围大，可测量整个真空腔内的磁场强度；同时采用本实施例上述方法，测量过程件简单，无需依赖于复杂的测量条件即可实现磁场自动测量，可以方便的适用于实验室以及野外测量等各类测量环境中。

本实施例步骤s1中，具体在待测真空腔内具体采用磁光阱来制备冷原子团以及使原子团上抛(由下向上)或者自由释放运动。为确保测量精度，本实施例具体使冷原子均处于f＝2的原子态上，以及使得原子团的温度≤10μk以制备得到冷原子团，具体可通过优化调节磁光阱的参数实现，如激光功率、平衡、时序等参数。

本实施例步骤s3中具体使用拉曼π脉冲与原子相互作用，拉曼π脉冲具体使用小于2ms的短脉冲，即脉冲持续时间在2ms以内，优选为1ms，相比于使用长脉冲需要非常小的扫描步进，本实施例结合二维扫描方式，通过使用小于2ms的短脉冲，对应可以使用大的扫频步进，可以极大的缩短测量所需时间，提高测量效率测量。本实施例扫描拉曼激光的相对频率时，扫频步进具体取小于拉曼脉冲的频域展宽，如频域展宽为1khz时可设定为取400hz，扫频范围具体设置为大于原子一阶塞曼频移，能够提高测量效率的同时，保证扫描精度。

本实施例具体使用总功率≥10mw的拉曼激光，以产生使冷原子团发生拉曼跃迁的拉曼光，具体实施例中是首先产生两束拉曼激光，再使用光学锁相环锁定两束拉曼激光的频率和相位。对产生的拉曼光进行调节具体可使用射频衰减器，以通过调节拉曼光产生所需大小的拉曼脉冲，调节过程具体是通过设置两束拉曼激光的功率为某一恒定值，再利用电子学反馈系统稳定拉曼激光的功率实现，详细步骤为：扫描与原子相互作用的拉曼π脉冲的作用时间，产生拉比震荡，如果拉比震荡周期大于或小于预设阈值，则调节拉曼光声光调制器的射频驱动功率将两束拉曼激光的功率调大或调小一定量，再次获得拉比震荡，直到拉比震荡周期等于预设阈值为止，此时可得到拉曼π脉冲的持续时间为所需大小，如所需拉曼π脉冲为1ms时，则拉比震荡周期的预设阈值可设定为2ms。

本实施例中，步骤s4的具体步骤为：预先布置用于探测原子态的探测腔，当原子经过探测腔时，打开探测光并持续指定长时间后，测量当前处于f＝2态的原子数n2；间隔预设第一时间后将处于f＝1态的原子回泵到f＝2态，具体可通过施加回泵光以将处于f＝1态的原子回泵到f＝2态；等待预设第二时间后再次打开探测光，测量当前原子团中处于f＝1态和f＝2态的总原子数为n1+n2，按照下式(1)计算得到原子的跃迁概率；

p1＝1-n2/(n1+n2)(1)

通过上述步骤可以当冷原子团回落再次经过探测腔时实施原子态的标准化探测过程，实现原子的跃迁频率的归一化，且探测精度高。上述第一时间、第二时间均可根据实际需求设定，原子数测量可使用光电探测器来实现。

本实施例中，步骤s7的具体步骤为：

s71.分别获取左旋圆偏振拉曼激光、右旋圆偏振拉曼激光下待测真空腔内不同作用位置处的拉曼谱，由对应于左旋圆偏振拉曼激光、右旋圆偏振拉曼激光下拉曼谱中的三个共振频率分别计算第一共振频率与第三共振频率之差，得到共振频率差；

s72.分别根据共振频率差计算得到左旋圆偏振状态的磁场强度b左、右旋圆偏振状态的磁场强度b右；

s73.根据左旋圆偏振状态的磁场强度b左、右旋圆偏振状态的磁场强度b右计算绝对磁场强度b以消除光频移的影响。

本实施例首先产生左旋圆偏振的拉曼光，按照上述步骤s1～s6得到左旋圆偏振状态下待测真空腔内不同作用位置处的拉曼谱，再将拉曼光的偏振方向调整180度以产生右旋圆偏振的拉曼光，重复执行步骤s1～s6，则可获取右旋圆偏振状态下干涉腔内不同作用位置处的拉曼谱，即获取得到不同偏振状态下待测真空腔内不同作用位置处的拉曼谱，由该拉曼谱即可进一步计算各目标位置的磁场强度。

本实施例具体基于塞曼频移公式计算磁场强度，即由共振频率差按照塞曼频移公式计算左旋圆偏振状态、右旋圆偏振状态的磁场强度，再按照下式(3)计算得到绝对磁场强度能够有效消除光频移。

在具体应用中，可将拉曼谱的三个波峰频率依次标记为ω-1,ω0,ω1，共振频率差具体可取第一、第三共振频率之间的差值ω1-ω-1，即则左旋圆偏振状态的磁场强度b左、右旋圆偏振状态的磁场强度b右的公式具体可为：

其中，(ω1-ω-1)左(右)分别为左(右)旋圆偏振组态下拉曼谱所获得的共振频率差，γ1＝2π·1.4mhz/g为1阶赛曼系数。

如图2、3所示为本实施例实施上述自动磁场测量方法所采用的装置，包括：

磁光阱组件，用于制备及囚禁冷原子团；

待测真空腔；

量子化磁场线圈，设置在待测真空腔外，用于产生量子化磁场；

拉曼激光系统，用于产生两束拉曼激光，并对两束拉曼激光的频率和相位进行控制；

原子态探测系统，用于探测原子团中原子的跃迁概率；

以及时序控制系统，用于控制磁光阱捕获、释放或上抛原子团、拉曼激光与原子团作用的时间以及原子末态的探测等。

本实施例通过磁光阱制备、上抛(或者自由释放)冷原子团，如图2所示对应为使上抛冷原子团时实现磁场测量，如图3对应为使冷原子团自由释放时实现磁场测量，其中制备的冷原子团均处于f＝2的原子态上，原子团的温度具体设定为≤10μk，以及真空腔内的真空度设定为优于10^-7pa；量子化磁场线圈具体采用长螺线管制成，均匀绕制在待测真空腔的外部，在待测真空腔内产生量子化磁场，产生的量子化磁场大小与所施加的电流成正比，磁场方向具体由输入电流的方向确定，如为竖直向下或者向上。

本实施例磁光阱捕获、释放或上抛原子团、以及拉曼π脉冲与原子团作用的时间以及原子末态的探测等的时序具体是由时序控制系统进行控制，从而无需人工参与即可实现真空腔内磁场的自动测量，相比于人工测量，测量高效且精度高。控制单元具体采用可提供多路模拟/数字信号以及ttl触发信号的控制器，且通过控制可进一步设置两个或多个扫描参数，使得能够方便的实现整个测量时序的自动控制。

本实施例拉曼激光系统产生的拉曼激光的总功率≥10mw，拉曼激光的直径≥20mm，拉曼激光系统还包括射频衰减器以及光学锁相环，由射频衰减器调节产生的拉曼光大小，由光学锁相环对两束拉曼激光的频率和相位进行精确锁定。

本实施例中，原子态探测系统包括探测光、回泵光、光学反射镜、光学成像透镜以及光电探测系统，光学反射镜位于探测光入射方向在真空窗口的另一侧，光学成像透镜以及光电探测系统垂直于探测光入射方向且具有缩放功能，本实施例探测光和回泵光的合束光具体直径≥20mm。当原子经过探测腔时，打开探测光并持续指定长时间后，光电探测系统测量当前处于f＝2态的原子数，间隔预设第一时间后施加回泵光以将处于f＝1态的原子回泵到f＝2态，并在预设第二时间后再次打开探测光，光电探测系统测量当前原子团中处于f＝1态和f＝2态的总原子数，得到原子的跃迁概率，即为：

p1＝1-n2/(n1+n2)。

本实施例中，还包括光学1/4波片用于调整拉曼光的偏振方向，光学1/4波片具体位于真空腔顶部、拉曼光的输出端。1/4波片具体采用均匀性好且具有刻度的波片，以方便调整拉曼激光的偏振方向。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。