一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪

本发明属于原子磁力仪领域，尤其是涉及一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪。

背景技术：

1、光泵磁力仪通过测量外磁场引起的塞曼分裂，灵敏度可达亚飞特斯拉量级，甚至可与超导量子干涉器件相媲美。随着光泵磁力仪灵敏度和稳定性的发展，光泵磁力仪已广泛应用于基础物理、生物测磁、地质测磁、空间测磁等多个方面。“死区”是基于标量偏振光泵浦的光泵磁力仪的固有缺陷，表现为在测量某些方向上的外部磁场时不再灵敏。目前，有几种典型的有效解决死区问题的方法：叠加线偏振方向不同的两束信号，结合非偏振光与空间变化的微波场，利用光磁共振信号的高次谐波，旋转线偏振方向使之与外磁场始终保持垂直，基于多次反射腔的原子气室，调制光偏振的椭圆度等等。上述解决方案大多基于多光路、多气室或调制光束偏振的类型或方向，装置结构复杂的同时还会引入额外干扰信号。

2、矢量偏振光束是一种具有横向偏振结构的光束，其与原子的相互作用是一个新兴的研究领域。径向或角向偏振光束作为两种类型的矢量偏振光束被引入到磁力计的磁测量中。与线或圆偏振光束相比，径向或角向偏振光束有不同的死区方向。径向或角向偏振光束在原子磁力仪中的应用展现出一些与标量偏振光不寻常的性质，但仍然未解决死区问题。

3、综上，目前无死区原子磁力仪的方案存在结构复杂，难以工程化的问题，阻碍了磁力仪的发展与相关领域的进展。而单一的矢量偏振光，如径向或角向偏振光束也未能解决原子磁力仪死区的问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，该磁力仪利用复杂矢量偏振光在任意磁场方向都可以极化原子的特征，通过测量光磁共振吸收信号来实现对任意方向磁场的无死区探测，且探头装置较为简单。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，包括光源部分、泵浦-探测光光路部分、原子气室部分、射频场部分和信号采集部分；

3、所述光源部分中激光器的激光频率调谐到rb原子的d2线；所述泵浦-探测光光路部分用于将激光器发出的激光经调制后既作泵浦光又作探测光；所述原子气室部分内充有rb原子蒸汽，位于射频场部分中间；所述信号采集部分用于探测光束透射原子气室后的光磁共振信号。

4、进一步地，所述光源部分包括激光器、第一线偏振片和第一偏振分光棱镜；其中，激光器的频率锁定在rb原子d2线的52s1/2,f＝2→52p3/2,f'＝1跃迁上，波长为780nm；

5、激光器发出的光经过第一线偏振片和第一偏振分光棱镜，用于调节后续与原子作用的泵浦-探测光的强度。

6、进一步地，所述泵浦-探测光光路部分包括一个塞格纳克干涉仪和一组偏振调节镜片组。

7、进一步地，所述泵浦-探测光光路部分的偏振调节镜片组包括第二线偏振片、第一圆偏振片、第二圆偏振片和可调孔径片；

8、其中，所述第二线偏振片和第一圆偏振片用于制备入射塞格纳克干涉仪的任意椭圆度和偏振方向的椭圆偏振光；所述第二圆偏振片用于调节塞格纳克干涉仪输出矢量偏振光的椭圆度；所述可调孔径片用于调整泵浦-探测光光斑尺寸以及减少杂散光的影响。

9、进一步地，所述塞格纳克干涉仪由第二偏振分光棱镜、第一反射镜和被放置在干涉光路顶点处加载相位图的空间光调制器组成；所述塞格纳克干涉仪用于将椭圆偏振光进行相位调制，入射偏振光经由第二偏振分光棱镜透射水平偏振光分量，反射竖直偏振光分量；水平偏振光分量经空间光调制器反射后获得螺旋相位，而竖直偏振光分量经空间光调制器反射后不获得相位；竖直光分量经第二偏振分光棱镜投射，水平偏振光分量经第二偏振分光棱镜反射，两光分量合束，产生具有复杂偏振结构的混合阶庞加莱光束并输出。

10、进一步地，所述原子气室放置到五层μ-金属磁屏蔽桶内。

11、进一步地，所述射频场部分包括三组正交的亥姆霍兹线圈；其中，三组正交的亥姆霍兹线圈分别产生与静态磁场保持垂直的射频场。

12、进一步地，所述信号采集部分包含一个光电转换器件pd探头，光电转换器件pd探头采集混合阶庞加莱光束透射过原子气室的光磁共振信号，并经放大后输出光磁共振信号波形。

13、进一步地，所述混合阶庞加莱光束由外环的径向偏振光分量和中心处圆偏振光混合而成，与原子相互作用时，四极矩和偶极矩能够同时进动，在磁场任意方向极化原子，实现全空间磁场的无死区探测。

14、进一步地，所述混合阶庞加莱光束的电场分布为：

15、

16、其中，lg0,l表为l-阶拉盖尔-高斯函数，n＝-isinγ-sin(2ψ-γ)和s＝cosγ-icos(2ψ-γ)分别代表光束中0-阶拉盖尔-高斯光和2-阶拉盖尔-高斯光的占比，其中γ和ψ是两个装置可调参数；

17、不同比例构成混合阶庞加莱光束的偏振分布在混合庞加莱球面上规律变化，其中混合庞加莱球面的两个方位角写作θ＝2arctan(s/n)和φ＝arg[s]-arg[n]；

18、当外磁场与光传输方向成角时，所述信号采集部分测得光磁共振信号幅值为：

19、

20、其中，为基于圆偏振光的原子磁力仪测得光磁共振信号幅值，为基于径向偏振光的原子磁力仪测得光磁共振信号幅值，两种偏振光具有不同的死区位置；其中rcy＝1-min[|n|2,|s|2]/max[|n|2,|s|2]为等效椭圆度，其从1到0的变化表征矢量偏振光从标量圆偏振变化到矢量径向偏振的过程，当rcy≠0或1时，在不为0的取值范围内变化；外磁场在平行于偏振面的平面上变化时，光磁共振信号的幅值始终等于hhpb(90°)。

21、本发明的有益效果：

22、本发明采用上述的技术方案展示了一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，演示了基于热原子的无死区测量的新的方案，让沿不同方向的磁场信息可以反映在原子对混合阶庞加莱光束的光磁共振吸收上。测量不同方向磁场的光磁共振信号，即可实现无死区测量。

23、本方案在混合阶庞加莱光束泵浦-探测原子的条件下，利用了混合阶庞加莱光束具有径向偏振和圆偏振分量，磁场方向处于某一偏振的死区位置时，原子会吸收另一分量光束被其极化，磁场对两种不同分量响应得到的光磁共振信号叠加使得无死区测量成为可能。利用制备的单束复杂矢量光束在无额外调制的条件下完成了无死区测量，测量光路简单，制备工艺成熟，利于小型化和工程化。

技术特征：

1.一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，包括光源部分、泵浦-探测光光路部分、原子气室部分、射频场部分和信号采集部分；

2.根据权利要求1所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述光源部分包括激光器、第一线偏振片和第一偏振分光棱镜；其中，激光器的频率锁定在rb原子d2线的52s1/2,f＝2→52p3/2,f'＝1跃迁上，波长为780nm；

3.根据权利要求1所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述泵浦-探测光光路部分包括一个塞格纳克干涉仪和一组偏振调节镜片组。

4.根据权利要求3所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述泵浦-探测光光路部分的偏振调节镜片组包括第二线偏振片、第一圆偏振片、第二圆偏振片和可调孔径片；

5.根据权利要求3所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述塞格纳克干涉仪由第二偏振分光棱镜、第一反射镜和被放置在干涉光路顶点处加载相位图的空间光调制器组成；所述塞格纳克干涉仪用于将椭圆偏振光进行相位调制，入射偏振光经由第二偏振分光棱镜透射水平偏振光分量，反射竖直偏振光分量；水平偏振光分量经空间光调制器反射后获得螺旋相位，而竖直偏振光分量经空间光调制器反射后不获得相位；竖直光分量经第二偏振分光棱镜投射，水平偏振光分量经第二偏振分光棱镜反射，两光分量合束，产生具有复杂偏振结构的混合阶庞加莱光束并输出。

6.根据权利要求1所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述原子气室放置到五层μ-金属磁屏蔽桶内。

7.根据权利要求1所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述射频场部分包括三组正交的亥姆霍兹线圈；其中，三组正交的亥姆霍兹线圈分别产生与静态磁场保持垂直的射频场。

8.根据权利要求5所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述信号采集部分包含一个光电转换器件pd探头，光电转换器件pd探头采集混合阶庞加莱光束透射过原子气室的光磁共振信号，并经放大后输出光磁共振信号波形。

9.根据权利要求5所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述混合阶庞加莱光束由外环的径向偏振光分量和中心处圆偏振光混合而成，与原子相互作用时，四极矩和偶极矩能够同时进动，在磁场任意方向极化原子，实现全空间磁场的无死区探测。

10.根据权利要求9所述的一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，其特征在于，所述混合阶庞加莱光束的电场分布为：

技术总结
本发明公开了一种基于复杂矢量偏振光的无死区原子磁力仪，包括光源部分、泵浦‑探测光路部分、原子气室部分、磁场部分和信号采集部分。本发明基于混合阶庞加莱光束，设计单光束原子磁力仪装置探测极化原子对空间磁场的响应，实现了磁场的空间无死区探测；混合阶庞加莱光束由径向偏振光和圆偏振光混合而成，具有复杂的矢量偏振分布，既作为泵浦又作为探测光作用在原子上。与原子相互作用时，四极矩和偶极矩同时进动，能够在磁场任意方向都极化原子，因此基于混合阶庞加莱光束的原子磁力仪在外磁场处于垂直光偏振面的平面时，可避开死区。当外磁场与偏振面平行时，由于混合阶庞加莱光束具有旋转对称的偏振分布，光磁共振信号仍可进行无死区探测。

技术研发人员：王兆英,田珂,丁伟峰
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30