一种原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法

本发明涉及光学检测和碱金属原子气室，具体提出一种原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，有利于准确测量原子气室内碱金属的自旋交换速率，为高精度的原子自旋器件的研制提供了基础。

背景技术：

1、原子陀螺、原子磁强计和原子钟等新型的量子仪器仪表不仅具有超高的精度，而且兼有小体积与低功耗等优点，已成为世界各国推动探索研究的前沿技术。原子气室是原子极化、自旋交换、自旋弛豫、自旋进动等过程发生的物理场所，是量子仪器仪表的心脏，其内部包含碱金属及功能气体等成分，提供电子自旋进行各种物理量的测量，能够从本质上制约器件的精度、量程以及灵敏度等性能参数。

2、原子气室应用于惯性测量和超灵敏磁场测量时，通常采用光泵浦的技术使得气室内的原子发生极化，原子的热运动和碰撞又会破坏原子的极化态，使原子去极化，这个过程对应的时间称为自旋弛豫时间，此为衡量和影响气室性能的关键指标之一。

3、由于原子气室中两个超精细能级中的原子会沿相反的方向进动，自旋交换碰撞使得碱金属原子在塞曼子能级之间重新分布而导致弛豫，影响极化，进而影响原子气室的性能，制约着原子自旋器件的精度等综合性能的提升。只有消除自旋交换碰撞引起的弛豫，气室的性能才能具有更高的提升，原子自旋器件才能达到更高的灵敏度，因此，准确测量原子气室内碱金属自旋交换速率对于推动原子自旋器件的发展具有重要的意义。目前一般利用弛豫率公式计算，自旋交换速率其中，n为碱金属数量密度，σse为自旋交换截面，为碰撞的碱金属原子的平均相对速度。计算的准确度受到密度测量准确度的限制，只能计算大概值，并且无法实时准确测量。

4、为了弥补上述现有方法的不足，本发明提出一种适用于原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，本方法针对自旋交换弛豫影响碱金属气室性能问题，进而制约原子自旋器件精度的提高，有助于实现碱金属气室自旋交换速率的准确测量和有效控制，为原子气室的性能提升提供保障，为高精度的原子自旋器件的研制提供了基础。

技术实现思路

1、发明目的：为了探究自旋交换速率对碱金属气室性能的影响，提出一种原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，可为原子气室碱金属的自旋交换速率的精确测量与控制提供方法支撑，为碱金属气室的性能提升提供保障。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1，利用原子磁强计实验装置，在碱金属气室z轴方向施加不同大小的偏置磁场bz，以获得不同偏置磁场条件下所述原子磁强计实验装置的响应频率v与共振幅值，所述共振幅值用偏置场共振线宽δv表示，所述z轴方向为泵浦束方向；

5、步骤2，利用函数表达式进行曲线拟合，得到偏置场共振线宽δv与中心频率v0，其中a为拟合系数；

6、步骤3，利用下式拟合得到δv与bz之间的函数关系：

7、

8、其中a、b为拟合系数；

9、步骤4，利用下式计算得到原子气室内碱金属自旋交换速率γse：

10、

11、其中gs是电子朗德因子，gs≈2，μb为玻尔磁子，q(0)为核减慢因子，为约化普朗克常量，i为核自旋角动量，b为步骤3确定的拟合系数。

12、步骤1中bz是在测得装置残余磁场并进行原位补偿后通过施加不同的偏置电压后得到。

13、步骤2中的根据光学旋转信号的同相分量和正交分量得到。

14、

15、

16、其中p0＝sr/(r+γpr+γsd)，ω0＝bgsμb/q(0)，p0、δω、和ω0均为中间量，s为沿泵浦传播方向的光泵浦矢量，r为泵浦光束引起的光泵浦速率，γpr为线性极化的探测光束引起的去极化率，γsd为电子自旋破坏速率，b为外加磁场大小，gs是电子朗德因子，gs≈2，μb为玻尔磁子，q(0)和q(p)均为核减慢因子，为约化普朗克常量，i为核自旋角动量，为自旋交换碰撞引起的弛豫，b1为旋转磁场大小，ω为磁场角速度。

17、

18、

19、δv＝[2πq(0)t2]-1

20、其中t2是横向弛豫时间。

21、步骤3中包括：

22、

23、所述原子磁强计实验装置包括设置在碱金属气室检测光入射侧的检测激光器，在碱金属气室检测光出射侧设置有分束器，所述分束器的透射侧通过第一光电探测器连接差分器的第一输入端，所述分束器的反射侧通过第二光电探测器连接差分器的第二输入端，差分器的输出端分别连接频谱分析仪和锁相放大器，所述锁相放大器通过函数信号发生器连接磁场线圈，所述碱金属气室位于加热烤箱内，所述加热烤箱位于所述磁场线圈内，所述磁场线圈位于磁屏蔽层内，所述碱金属气室的抽运光入射侧依次连接1/4波片、线性偏振器和抽运激光器。

24、本发明的技术效果如下：本发明一种原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，针对自旋交换弛豫影响碱金属气室性能问题，进而制约原子自旋器件精度的提高，提出了测量原子气室碱金属自旋交换速率的技术解决方案，有助于实现碱金属气室自旋交换速率的准确测量和有效控制，为原子气室的性能提升提供保障，为高精度的原子自旋器件的研制提供了基础。

25、本发明具有以下特点：

26、(1)提出一种原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法；

27、(2)本方法有助于实现碱金属自旋交换速率的准确测量和有效控制；

28、(3)为原子气室以及原子自旋器件的性能提升提供保障。

技术特征：

1.一种原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，其特征在于，步骤1中bz是在测得装置残余磁场并进行原位补偿后通过施加不同的偏置电压后得到。

3.根据权利要求1所述的原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，其特征在于，步骤2中的根据光学旋转信号的同相分量和正交分量得到。

4.根据权利要求3所述的原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，其特征在于，步骤3中包括：

7.根据权利要求1所述的原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，其特征在于，所述原子磁强计实验装置包括设置在碱金属气室检测光入射侧的检测激光器，在碱金属气室检测光出射侧设置有分束器，所述分束器的透射侧通过第一光电探测器连接差分器的第一输入端，所述分束器的反射侧通过第二光电探测器连接差分器的第二输入端，差分器的输出端分别连接频谱分析仪和锁相放大器，所述锁相放大器通过函数信号发生器连接磁场线圈，所述碱金属气室位于加热烤箱内，所述加热烤箱位于所述磁场线圈内，所述磁场线圈位于磁屏蔽层内，所述碱金属气室的抽运光入射侧依次连接1/4波片、线性偏振器和抽运激光器。

技术总结
本发明旨在提出一种原子气室内碱金属自旋交换速率的测量方法，涉及光学检测、碱金属气室性能领域。本方法针对自旋交换弛豫影响碱金属气室性能问题，进而制约原子自旋器件精度的提高，提出一种测量原子气室碱金属自旋交换速率的方法，有助于实现碱金属气室自旋交换速率的准确测量和有效控制，为原子气室的性能提升提供保障，为高精度的原子自旋器件的研制提供了基础。

技术研发人员：邹升,王子鸣,张红,张全哲,刘俊言,尚慧宁
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16