一种基于原子自旋进动的超高精度分光检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种光学仪器，特指分光检测装置。


背景技术：

2.自旋是原子的内禀特性，自旋进动对磁场作用或相对惯性空间的转动敏感，通过检测原子的自旋进动可实现磁场或惯性转动的测量，进而形成原子磁强计、原子陀螺和其他原子传感器。自然状态的原子自旋是杂乱无章的，外加磁场和泵浦光照可使其杂乱无章的原子自旋具有宏观指向，即极化，极化的原子气室宏观上可等效为一种法拉第旋光晶体,其旋光系数与原子自旋进动相关。原子自旋进动检测大都采用线偏光作为探测光，通过测量线偏振光经过碱金属气室后偏振面的旋转角来测量原子自旋进动的变化。
3.中国专利cn 104677508 b公开了一种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法及装置，本方法基于原子气室极化原子的旋光特性，采用双折射光路形成左右圆偏振光，将左右旋圆偏光入射到原子气室，通过气室的左右旋圆偏振光间产生正比于原子自旋进动的相位差，用反射镜使出射圆偏振光原路返回，两圆偏振左右旋向交换，相位差加倍，用圆偏振光干涉技术使左右旋圆偏振光发生干涉，实现相位差测量、实现原子自旋进动的高灵敏度检测。由于两束光要耦合进同一根光纤，且偏振态要分别对保偏光纤的快慢轴，这有难度，耦合进光纤要对光很精准且模场要匹配，有难度耦合效率不高，所以该方式存在耦合困难，耦合效率低及耦合进入保偏光纤时为需为快慢轴传输，否则偏振态无法保证，且快慢轴传输存在时延差，同时保偏光纤输入必须是线偏振光，并且偏振方向沿快轴或慢轴，输出才能保持原偏振态。如果只是线偏振光但不沿快轴或慢轴偏振，那么输出椭圆偏振光。这种椭圆偏振态受整个光纤长度上温度和应力变化的影响，所以不稳定且无法预测。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种不使用保偏光纤的高精度分光检测装置。
5.为达成上述目的，本实用新型一种基于原子自旋进动的超高精度分光检测装置，其中，包括准直透镜、两个偏振分光棱镜、双折射晶体、1/4波片、原子气室、三个反射棱镜、1/2波片和三个探测器，准直透镜设在入设光路上，正对准直透镜设有将入射光分成两路线偏振光的第一偏振分光棱镜，在第一偏振分光棱镜的第一路线偏振光光路上紧贴设置将第一路线偏振光分成两路的双折射晶体，在双折射晶体上设有将前述两路线偏振光转换成左右圆偏振光的1/4波片，在第一偏振分光棱镜的第二路线偏振光路上紧贴设置将该线偏振光反射与第一路线偏振光平行的第一反射棱镜；正对1/4波片设有原子气室，原子气室上贴设正对第一反射棱镜并将第二路线偏振光反射到原子气室第二反射棱镜；在原子气室线偏振光路上依次设有1/2波片和第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜的分光光路上设有第三反射棱镜，在第二偏振分光棱镜的两个光路上分别设有第一和第二探测器；原子气室的圆偏振光路上设有第三探测器。
6.所述的每组准直透镜、两个偏振分光棱镜、双折射晶体、1/4波片、原子气室、三个
反射棱镜、1/2波片和三个探测器分别设置在光纤拉锥扩展阵列的分光光路上，光纤拉锥扩展阵列的光路上依次设输入准直器、多组50：50分光棱镜组、在每组分光上设有衰减调节器、接收准直器和输出准直器。
7.采用上述方案后，将来自常规光纤偏振态是杂乱无章的入射光，经过准直后经过pbs偏振分光棱镜能把入射的非偏振光分成两束偏振态垂直的线偏光，用两个分路同时进行线偏振差分检测和圆偏振干涉检测，精度自然更高更灵敏，另外通过光纤拉锥便捷扩展成阵列式结构使精度更高。
附图说明
8.图1为本实用新型分光检测结构示意图；
9.图2为本实用新型光纤拉锥扩展阵列。
10.标号说明：
11.1、准直透镜、2、第一9偏振分光棱镜和、3、双折射晶体；4、1/4波片；5、原子气室；6、第一反射棱镜；7、第二反射棱镜；8、1/2波片9、第二偏振分光棱镜；10、第三反射棱镜，11、第三探测器12、第一探测器；13、第二探测器；14、输入准直器；15、50：50分光棱镜组；16、衰减调节器；17接收准直器；18、输出准直器。
具体实施方式
12.为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
13.请参阅图2所示，本实用新型将常规光纤的偏振态是杂乱无章的入射光通过光纤拉锥便捷扩展成阵列式，入射光通过输入准直器14照射到50：50分光棱镜组15分成8路光，每路光上设衰减调节器16、接收准直器17和输出准直器18。
14.如图1所示，通过图2中输出准直器18的入射光通过准直透镜1准直，第一偏振分光棱镜2(偏振分光棱镜即为pbs，)将光束分束成两路线偏振光，第一路线偏振光经双折射晶体3分成两束光经过1/4波片4后变成两束左右圆偏振光，经过原子气室5到达第三探测器11。
15.当一束圆偏振光沿z轴入射到原子气室时，光子的角动量传递给碱金属原子，使原子沿传输光方向形成一致的自旋和进动。这使得具备高原子密度的原子气室处于低磁场环境下，采用圆偏振光泵浦，可以让原子的自旋交换频率远远大于拉莫尔进动频率，气室内原子自旋交换碰撞将出现无自旋交换弛豫，表现为极化原子还来不及退极化又回到最初的极化状态，这种状态被称作原子serf态极化碱金属气室(serf原子磁强计以碱金属原子(k、rb、cs等)为原子源，碱金属原子气室一般包括碱金属原子、缓冲气体(4he)、淬灭气体(n2)等)不仅对线偏振光具有旋光效应，同样对左、右旋圆偏振光具有位相延迟特性。
16.极化碱金属原子具有圆二向色性，利用双折射光路产生左、右旋圆偏振光，经过碱金属气室产生的位相延迟不同，产生相位差φ，通过测量相位差实现原子自旋进动的高灵敏度检测。左、右旋圆偏振光经过极化碱金属气室产生的相位差φ与待测原子自旋进动信号px的具体关系为：
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其中，l为气室长度，c为光速，re为电子半径，n为碱金属原子数密度，f为原子和光的作用强度，ν为光频率，ν0为碱金属原子光共振跃迁频率，d(ν-ν0)为原子对激光的色散函数，px为原子极化率矢量沿x方向即测量轴方向的投影，即原子自旋进动信号。
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通过相干检测技术(为公知技术)可以提取相位差信息δφ。左右旋圆偏振光发生干涉，可实现相位差测量、实现原子自旋进动的高灵敏度检测，
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第二路线偏振光经反射棱镜6和7全反射经入原子气室5，调节1/2波片8使光束经过第二偏振分光棱镜9时分成两路光分别进入第一和第二探测器12、13。
[0021]
当线偏振探测光通过serf态原子气室后将发生偏转，定义偏振面的旋转角为光旋角θ，它与原子自旋进动信号在检测方向(x轴)上的投影pxe的关系可以表示为
[0022][0023]
式中：n为碱金属原子的饱和蒸汽密度；l为气室长度，c为真空光速，re为电子半径；fd1≈1/3，fd2≈2/3；v为探测光频率，vd1和vd2为碱金属原子在d1、d2线上的跃迁频率；γl为压力展宽系数。serf态原子气室宏观上可等效为旋光晶体，其旋光特性可以用等效的法拉第旋光方程描述为
[0024][0025]
式中：kv为极化serf态原子气室的等效旋光系数。对于设定的气室，kv和l均为确定值，θ与pxe成比例关系，精确测量θ便能得到准确的自旋进动信息，进而实现对磁场的测量。kv可表示为
[0026][0027]
通过检测第一、第二探测器12、13可测得原子自旋进动信号，测量两个探测器光强i1、i2差分可提取自旋进动信息(可参考中国专利201811209041.6，或者201510679672.4)。
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以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。