一种无探测盲区且可消除光频移的标量原子磁力仪及方法

1.本发明涉及原子器件领域，具体地说是利用弯折的光路消除探测盲区，同时通过加半波片反转抽运光偏振来消除光频移的基于光功率调制的标量原子磁力仪及方法。


背景技术：

2.在光抽运原子磁力仪实验中，外磁场的大小可由测量的原子拉莫进动频率获得。基于此原理的光泵磁力仪已广泛应用于考古学、地球物理学和基础物理学等领域。但是，磁力仪对磁场的响应幅度与抽运光传播方向和磁场方向之间的相对角度有一定依赖关系，在某些区域时，磁力仪对磁场不敏感，无法准确测量测场，这样的区域称之为探测盲区。探测盲区的存在，阻碍了磁力仪在应用上的推广。所以消除探测盲区是磁力仪的重要改进措施之一。
3.同时，实验测得的原子进动频率往往由于各种原因会与抽运光传播方向和磁场方向之间的相对角度有依赖关系，这会引入一个系统误差，即指向误差。这是磁力仪测量精度下降的另一个主要原因。指向误差的来源主要分为三个方面：第一方面，指向误差来自非线性塞曼效应，碱金属原子在超精细结构下与磁场作用下发生非线性分裂，这是限制磁力仪灵敏度的主要因素之一；其次，指向误差来自光频移，远离原子跃迁共振频率的圆偏振光会引入光频移效应，等效于一个磁场，进而影响外磁场的测量；第三个方面，指向误差来自线性的核塞曼分裂效应，但因为外磁场与核自旋作用效果比电子自旋小三个量级，因此可以忽略不计。我们主要讨论的是由远离原子跃迁共振频率的圆偏振光带来的光频移效应而引入的指向误差。抑制这种指向误差的常用方法是使用两束偏振相反的泵浦光，去极化两个不同空间区域的碱金属原子。将这两个空间区域原子的效应平均后，对方向依赖的影响会消失，但这种方法增加了设备的复杂性，增加了额外的光功率，同时需要两个系统之间的完美匹配，使得磁力仪在实际应用过程中带来了众多困难，阻碍了磁力仪的应用和发展。
4.2010年，美国romalis课题组利用电光调制器来调制抽运光偏振，用对称的、强度相等、偏振相反的圆偏振光来消除沿着磁场方向的自旋极化。同时，利用圆偏振光抽运和线偏振光抽运结合的方法去实现光频移对应的探测盲区的消除，这种方法引入了更多的功耗，同时结构比较复杂。因此，简单的、便利的、不加额外功耗的方案值得去研究和推广。
5.本发明技术解决问题：克服探测盲区问题和光频移效应，提供一种无探测盲区且可消除光频移的基于光功率调制的标量原子磁力仪及方法，在原子池中引入多反射腔，通过增加光与原子的相互作用光程来提高灵敏度。在原子池内加反射镜，利用弯折的光路来消除探测盲区。同时，在原子池内加半波片，通过反转抽运光偏振度来消除光频移。方案简单巧妙，功耗小，为未来实现磁力仪的集成化和小型化提供了便利。
6.本发明技术解决方案：
7.在原子池中加入了herriott多反射腔，增加光与原子的作用距离，提高了系统的信噪比；在测量中，当磁场方向在抽运光方向附近时，磁力仪对磁场不敏感，没有响应信号，无法实现磁力仪的功能，影响对磁场的测量；为了消除这个探测盲区，本发明在气池中部放
一个平面反射镜，将光路弯折成两个垂直的部分，当磁场方向与一部分光路重合时，另外一部分的光路可以保证磁力仪正常工作；同时，当被调制的抽运光远离原子跃迁共振频率时，磁力仪的响应对磁场与抽运光的相对角度有很明显的依赖关系，抽运光频率失谐带来的光频移效应，使得磁力仪的吸收信号呈现不对称的色散线型，影响外磁场的测量精度，本发明在原子池的光路中放置半波片，反转了抽运光在原子池内的偏振方向，将原子池分成偏振方向相反的两个模块，抵消了光失谐带来的光频移，消除了指向误差，得到对称的吸收信号曲线；综上两个方面的工作，本发明解决了探测盲区问题，磁场在任意方向时，磁力仪对磁场的都有可观的响应；同时，本发明大大降低了磁力仪的响应对探头与磁场的相对角度的依赖关系，更加全面的实现磁力仪的功能。
8.本发明涉及一种利用弯折的光路消除探测盲区，同时通过加半波片反转抽运光偏振来消除光频移的基于光功率调制的原子磁力仪技术。在实验中需要用幅度调制的抽运光产生横向极化。当调制频率等于拉莫进动频率时，横向极化最大，磁力仪对磁场的响应信号最强。在测量中，当磁场方向与抽运光方向夹角较小时，磁力仪的响应信号偏小，信噪比不够，影响对磁场的测量。为了消除这个探测盲区，本发明在气池中部放一个平面反射镜，将光路弯折成两个垂直的部分。当磁场方向与一部分光路重合时，另外一部分的光路对应的磁力仪响应信号可以保障磁力仪正常高信噪比工作。同时，当被调制的抽运光远离原子跃迁共振频率时，磁力仪的响应对磁场与抽运光的相对角度有很明显的依赖关系。这种由抽运光频率的失谐带来的光频移效应，使得磁力仪的吸收信号呈现不对称的色散线型，影响外磁场的测量精度。本发明在上述含有三镜多反射腔系统的原子池的光路中放置半波片，反转了抽运光在原子池内的偏振方向，将原子池分成光路偏振方向相反的两个模块，抵消了光失谐带来的光频移，消除了其引起的指向误差。
9.本发明的无探测盲区且可消除光频移的标量原子磁力仪，利用弯折的光路消除探测盲区，同时通过加半波片反转抽运光偏振来消除光频移；所述标量原子磁力仪包括：含有herriott多反射腔、平面反射镜和半波片的原子池、加热单元、磁场单元、光功率调制的抽运光单元、光电探测器和装配的3d打印平台：
10.含有herriott多反射腔、平面反射镜和半波片的原子池，与加热单元、磁场单元、3d打印平台放置在坡莫合金制成的五层磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰；构成herriott多反射腔的前腔镜和后腔镜为柱面镜，腔镜和平面反射镜通过阳极键合的方法固定在硅片上，两腔镜互相垂直放置，平面反射镜和两腔镜之间呈45
°
放置，平面反射镜的加入做到了在气池内将一束光路弯折成两个垂直的光路，避免多束光路的引入，减少了光功耗；两腔镜到反射镜中心距离之和优选为26.3mm，两腔镜主轴相对转角优选为50.7
°
，半波片是通过陶瓷模具定位，分别处于腔镜到反射镜距离的中点位置，用耐高温的胶固定，半波片的加入使在原子池内反转光路的偏振，方案可靠，设计简单；
11.加热单元，对原子池中的原子进行加热；利用3d打印的框架盒子把原子池和加热单元装配在一起；
12.磁场单元包含x、y、z三个相互垂直方向的磁场线圈，用来提供工作偏置磁场，原子池以及加热单元均处于磁场单元的内部，原子池靠近磁场线圈的中心位置；
13.光功率调制的抽运光单元，被调制的抽运光直接产生横向极化；圆偏振光在进入原子池之前，经过一个声光调制器，对抽运光进行幅度调制，用光纤引入3d打印光学平台，
射入herriott多反射腔，经多次(优选14次)反射后射出，当抽运光调制频率接近于原子拉莫进动频率时，产生可观的横向极化；
14.光电探测器，用来探测原子池内原子对光的吸收信号；光电探测器探测从herriott多反射腔射出的光功率，这个吸收信号与抽运光调制频率有一定依赖关系，在实验中，扫描抽运光调制频率，当调制频率等于原子拉莫进动频率时，原子吸收信号最强，信号的共振点即为原子拉莫进动频率，实现外磁场的测量；
15.3d打印平台集成原子池、加热单元、抽运光单元和光电探测器，完成原子池的加热和保温装配，减免繁琐的光路调节，简化系统，为未来实现小型化磁力仪提供便利。
16.所述herriott多反射腔中的前腔镜和后腔镜，以及平面反射镜通过阳极键合的方法固定在硅片上，两个腔镜即前腔镜和后腔镜为柱面镜，然后利用陶瓷模具定位；在两个垂直光路上各放一个半波片，用耐高温的胶水固定，再利用阳极键合的方法实现玻璃罩子与硅片的密封，原子的充入则通过玻璃罩上的尾管实现的，原子池中充入自然丰度铷原子(其中
85
rb和
87
rb的含量分别为72.2％和27.8％)，350torr氮气作为缓冲气体；全部的原子冲入原子池后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有herriott多反射腔和半波片的原子池制作完成；平面反射镜的加入做到了在原子池内将一束光路弯折成两个垂直的光路，避免多束光路的引入，减少了光功耗；半波片的加入做到了在原子池内反转光路的偏振，设计简单，方案可靠。
17.所述加热单元采用两片无磁加热片组成，通过交流电对原子池加热：在加热的同时采用保温材料将原子池部分包裹起来，以起到隔热保温的作用，同时减少对加热功率的需要；加热单元工作在60℃，原子在气池内处于气态，使原子处以稳定的高原子数密度，原子数密度为3
×
10
11
/cm-3
,在常温下(25℃)，原子数密度为1
×
10
10
/cm-3
。
18.所述3d打印装配平台能够精准实现对原子池的固定，不需要繁琐的调节光路则开始实验；3d打印还将光学元件以及所述的光电探测器集成在探头平台上，实现磁力仪的集成化和小型化。
19.本发明的无探测盲区且可消除光频移的标量原子磁力仪的实现方法，步骤为：
20.在原子池中加入herriott多反射腔，增加光与原子的作用距离，提高信噪比；在测量中，当磁场方向在抽运光方向附近时，磁力仪对磁场不敏感，没有响应信号，无法实现磁力仪的功能，影响对磁场的测量；为了消除这个探测盲区，在原子池中部放一个平面反射镜，将光路弯折成两个垂直的部分，建立两个垂直的对磁场敏感的区域，当磁场方向与一部分光路重合时，另外一部分的光路的磁力仪响应信号可以保障磁力仪高信噪比工作；同时，当被调制的抽运光远离原子跃迁共振频率时，标量原子磁力仪的响应对磁场与抽运光的相对角度有明显的依赖关系，抽运光频率失谐带来的光频移效应，使得磁力仪的吸收信号呈现不对称的色散线型，影响外磁场的测量精度，在原子池的光路中放置半波片，反转抽运光在原子池内的偏振方向，将原子池分成偏振方向相反的两个模块，抵消光失谐带来的光频移，消除指向误差，得到对称的吸收信号曲线；抽运光在对原子极化过程中，被声光调制器幅度调制，使得在与偏置磁场垂直的平面产生横向极化；在偏置磁场100mg的条件下，极化的碱金属原子以拉莫进动频率在垂直于偏置磁场的方向进动，当抽运光调制频率等于原子拉莫进动频率的时候，光电探测器探测的吸收信号是最强的；通过找到信号曲线共振点，从而得到原子拉莫进动频率，即测量出外磁场的大小；本发明在不消耗额外的光功率和简单
易操作的设计下，同时解决了磁力仪中两个常见的问题，探测盲区和光频移问题。
21.本发明的优点和积极效果为：
22.(1)在使用含有多反射腔、平面反射镜和半波片组成的原子池，既可以消除探测盲区，又可以消除光频移。在常规情况下(只含有多反射腔)，当磁场方向在抽运光附近或重合时，探头对磁场方向不敏感，没有响应信号。这样的区域是磁力仪的探测盲区，是磁力仪性能的弊端，阻碍了磁力仪在应用上的推广。但是采用加平面反射镜的方法，将光路弯折成两个垂直的部分。当磁场方向与一部分光路重合时，另外一部分的光路能保证磁力仪正常的工作，有效的消除探测盲区，解决了这个标量磁力仪的盲区弊端。在常规情况下(不含半波片)，当被调制的抽运光偏离原子跃迁共振频率时，磁力仪的响应对磁场与抽运光的相对角度有很明显的依赖关系。抽运光频率的失谐带来的光频移效应，使得磁力仪的吸收信号呈现不对称的色散线型，影响外磁场的测量精度，进而限制了磁力仪的性能。在本发明中，由于原子池中含有半波片，可以抵消信号中产生不对称因素的光频移，大大降低了磁力仪的响应对探头与磁场的相对角度的依赖关系，更加全面的实现磁力仪的功能。而多反射腔的使用使单次反射的光路里的吸收可忽略不计，从而在放置半波片位置时不必考虑光在气室内传播不断衰减的常见现象。
23.(2)不同于常用的消除光频移方法。常用的方法是使用两个偏振相反的泵浦光，去极化两个不同空间的碱金属原子。将这两个空间原子的效应平均后，对方向依赖的影响会消失，但这种方法增加了设备的复杂性，增加了额外的光功率，同时需要两个系统之间的完美匹配，使得磁力仪在实际应用过程中带来了众多困难，而我们的方案是放置半波片，将原子池分成两个偏振相反的模块，将光频移效应抵消，达到同样的效果。
24.(3)仅在正常原子池内加半波片，不需要额外的功耗，也不要额外的光束，更不用考虑匹配问题，方案简单，又实用，便于磁力仪在应用方面推广。
25.(4)在3d打印技术的辅助下，可以准确的定义抽运光和多反射腔之间的入射角度关系，可以避免繁琐的光路调节，简化系统，为未来实现磁力仪的集成化和小型化提供了便利。
附图说明
26.图1是为消除探测盲区和消除光频移的磁力仪所发明的原子池示意图；
27.图2为磁力仪系统整体结果图；
28.图3为3d打印探头以及内部光路示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明作进一步详述。
30.如图1所示，构成herriott多反射腔的前腔镜1和后腔镜2为柱面镜，腔镜和平面反射镜5通过阳极键合的方法固定在硅片4上，两腔镜间距26.3mm，主轴相对转角50.7
°
，半波片6是通过陶瓷模具定位，用耐高温的胶固定。玻璃罩3同样是利用阳极键合的方法与硅片4的密封。原子的充入需要通过玻璃罩上的尾管实现，原子充入原子池中并冲入缓冲气体后，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下，含有多反射腔的原子池制作完成。在常规情况下(只含有多反射腔)，当磁场方向在抽运光附近或重合时，探头对磁场方向不敏感，没
有响应信号。这样的区域是磁力仪的探测盲区，是磁力仪性能的弊端，不利于应用的推广。如图1所示，采用加平面反射镜5的方法，将光路弯折成两个垂直的部分。当磁场方向与一部分光路重合时，另外一部分的光路能正常的工作，有效的消除探测盲区，解决了这个标量磁力仪的盲区弊端。在常规情况下(不含半波片)，抽运光失谐会在光传播方向产生光频移，当与磁场方向有一定相对角度时，频率响应信号呈现不对称的结果，降低了磁力仪测量磁场的精度，进而限制了磁力仪的性能。但是，在本发明中，如图1所示，加入半波片6，将原子池分成两个偏振相反的模块，将光频移效应抵消，使得即使在抽运光失谐，与磁场不垂直的情况下，依旧可以准确测量磁场，保证了磁力仪的性能。
31.如图2所示，本发明系统的整体结构示意图。原子池、加热单元、磁场单元，3d打印光学平台放置在五层磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶可以避免外界杂散磁场的干扰，其他组成单元放置在3d打印光学平台上，探头尽量靠近磁场线圈的中心位置。
32.如图3所示，探头3d打印平台以及内部光路示意图。由光纤引入光路，光纤输出头7是经过特殊设计的，由3d打印方法制作，集成了输出准直透镜，使得抽运光经光纤输出后不再需要人为调整，可以直接使用。抽运光打入原子池中的herriott多反射腔内，经过14次反射后出射，后面的光电探测器8接收出射光功率。将光学元件和探测器集成在3d打印平台上，通过3d打印技术，可以准确定义抽运光和多反射腔之间的入射关系，省去了繁琐的调节光路环节，简单且便于小型化和应用的推广。
33.总之，本发明的提供一种无探测盲区且可消除光频移的标量原子磁力仪及方法。在原子池中引入herriott多反射腔，通过增加光与原子的相互作用光程提高灵敏度和稳定性，充入碱金属原子和氮气原子。在多反射腔中部加一块平面反射镜，将光路转折90
°
，相当于将腔分成互相垂直的两部分。即使其中一部分光路与磁场方向重合，还有另外一部分垂直的光路可以正常工作，达到消除磁力仪探测盲区的目的。同时，在气池内的两路光路上分别加入两个半波片，让两个垂直光路各变成两个部分，一个模块的原子由左旋光抽运，另外一个模块由右旋光抽运。由于系统直接测量原子池内的信号累加效应，所以光失谐产生的光频移效应在这过程中被抵消。这样磁力仪信号对调制频率的响应曲线呈对称的光谱线型，大大减小了测量值对探头与磁场的相对角度的依赖关系，提高了测量精度。