甚低频原子磁强计接收带宽提升方法及系统与流程

本发明涉及量子传感，尤其涉及一种甚低频原子磁强计接收带宽提升方法及系统。

背景技术：

1、近年来，基于原子自旋在磁场下的拉莫尔进动效应的光泵浦碱金属原子磁强计已被证明比标准线圈检测对射频磁场更敏感，特别是在如甚低频波段等低频无线电下基于原子磁强计原理的甚低频原子磁强计技术在相同有效传感体积下，甚低频原子磁强计的灵敏度可以高出3个量级，为有效解决当前甚低频通讯领域的瓶颈难题提供崭新思路。

2、甚低频原子磁强计的灵敏度与碱金属自旋弛豫时间t2相关。实现低至～ft级的测量灵敏度，通常需要较长的碱金属自旋弛豫时间t2(约ms)来实现。然而，较长的弛豫时间t2同时意味着碱金属原子在一次测量后恢复至待机状态从而开始下一次测量的时间也比较长，这意味着系统的响应较慢，或者说响应带宽较窄，响应带宽由参数γ＝1/t2表征。因此，通常的甚低频原子磁强计存在高灵敏度与高带宽不可兼得的问题，对于短时间信号，或需要在高带宽上具有良好灵敏度的应用，需要解决如何在不过分损失甚低频原子磁强计灵敏度的前提下，实现高带宽测量能力的难题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种甚低频原子磁强计接收带宽提升方法及系统，能够解决现有技术中甚低频原子磁强计存在高灵敏度与高带宽不可兼得的技术问题。

2、根据本发明的一方面，提供了一种甚低频原子磁强计接收带宽提升方法，甚低频原子磁强计接收带宽提升方法包括：利用驱动激光对原子气室内碱金属原子沿着驱动激光方向(z方向)进行极化；原子气室处外界磁场通过三轴磁线圈与三轴磁传感器补偿，提供零场环境；后由三轴磁线圈在驱动光方向施加主磁场b；x方向利用检测激光对极化原子在x方向的自旋投影信号的进动进行检测，进动幅度正比于外界甚低频信号幅度，频率与外界甚低频信号相同；由驱动激光与检测激光操纵原子，驱动激光为σ+圆偏振光，与碱金属原子d1线共振，由于跃迁选择定则δf＝1，在圆偏振驱动激光的作用下，原子将被抽运至mf＝f的磁量子数最大的量子态上，从而实现极化，系统量子化轴沿驱动光指向，极化后的原子自旋指向z正方向；主磁场与驱动激光方向相同，沿z正方向，大小为b，外界沿z方向传播在y方向振动的甚低频电磁信号b0cos(ωt)会被极化原子吸收从而导致极化矢量偏离z方向开始绕z轴以频率γb进动，γ为碱金属原子旋磁比；检测激光为线偏振，频率大失谐于碱金属原子共振频率，从而原子系综对检测激光的吸收可以忽略，二向色性作用起主导作用，检测光信号会随着原子自旋进动而改变；通过在x方向增加反馈磁场bfb＝apx引入阻尼项apx，其中a为反馈参数，构建体系新的动力学方程，基于体系新的动力学方程，将带宽参数变为γeff＝γ+aγpz；通过调节检测激光抽运速率rpr，使得检测激光抽运速率rprr>>γ，γ为初始带宽参数，以实现在不过分损失灵敏度的情况下对带宽的提升。

3、进一步地，体系新的动力学方程为其中，px为碱金属原子x方向极化投影强度，py为碱金属原子y方向极化投影强度，γ为碱金属原子旋磁比，b0为甚低频电磁信号的幅值，pz为碱金属原子z方向极化投影强度，γ为初始带宽参数，a为反馈参数。

4、进一步地，由抽运光激光器产生的抽运激光依次经过第一格兰泰勒棱镜、四分之一波片后进入原子气室，通过与原子气室中的碱金属原子相互作用，实现对碱金属原子的极化；由探测光激光器产生的探测激光依次经过第二二分之一波片、第二格兰泰勒棱镜及第二反射镜反射后进入原子气室，经原子气室出射的检测激光经第一反射镜反射后经第一二分之一波片及沃拉斯顿棱镜后进入平衡零拍探测器，平衡零拍探测器采集的信号输出至数据采集与控制系统；在原子气室的外部设置三轴磁场线圈及三轴磁通门。

5、进一步地，在对甚低频信号bxcos(ωt)进行检测时，先由数据采集与控制系统依据三轴磁通门的实时测最信息对气室环境磁场进行控制，使得x方向、y方向与z方向的磁场为0；在此基础上，由三维磁场线圈在z方向施加大小为b的主磁场；由于光的法拉第旋转角度θ正比于自旋系综在x方向的极化投影大小px，即：θ∝px，此时由平衡零拍探测器输出的信号大小将正比于：px＝mcos(ωt)，其中幅值m为原子在甚低频信号作用下的原子进动信号的幅值；当上述信号被检测到后，由数据采集与控制系统将该信号通过三轴磁场线圈，以大小bfb＝apx反馈至x方向，以将甚低频原子磁强计带宽由γ扩展至γ+aγpz。

6、进一步地，法拉第旋转角θ可根据计算获取，其中，i1为沃拉斯顿棱镜输出的第一激光的光强，i2为沃拉斯顿棱镜输出的第二激光的光强，i0＝i1+i2，i0为两束激光的光强总和。

7、根据本发明的另一方面，提供了一种甚低频原子磁强计接收带宽提升系统，该基于偏振选择接收的甚低频原子磁强计接收带宽提升系统使用如上所述的甚低频原子磁强计接收带宽提升方法进行甚低频原子磁强计接收带宽提升。

8、进一步地，甚低频原子磁强计接收带宽提升系统包括抽运光激光器、第一格兰泰勒棱镜、四分之一波片、原子气室、第一反射镜、第一二分之一波片、沃拉斯顿棱镜、平衡零拍探测器、数据采集与控制系统、探测光激光器、第二二分之一波片、第二格兰泰勒棱镜、第二反射镜、三轴磁场线圈及三轴磁通门，由抽运光激光器产生的抽运激光依次经过第一格兰泰勒棱镜、四分之一波片后进入原子气室，通过与原子气室中的碱金属原子相互作用，实现对碱金属原子的极化；由探测光激光器产生的探测激光依次经过第二二分之一波片、第二格兰泰勒棱镜及第二反射镜反射后进入原子气室，经原子气室出射的检测激光经第一反射镜反射后，经第一二分之一波片及沃拉斯顿棱镜后进入平衡零拍探测器，平衡零拍探测器采集的信号输出至数据采集与控制系统；三轴磁场线圈及三轴磁通门设置在原子气室的外部，三轴磁场线圈用于产生三轴方向的磁场，由数据采集与控制系统控制用于抵消环境磁场的干扰，同时提供反馈磁场，三轴磁通门用来实时检测原子气室处的环境磁场大小，结果作为反馈变量输入数据采集与控制系统。

9、应用本发明的技术方案，提供了一种甚低频原子磁强计接收带宽提升方法，该方法可以在保持甚低频原子磁强计灵敏度不变的前提下，有效提升其带宽；基于高带宽的甚低频原子磁强计，可以实现快速短时信号捕捉；通过改变反馈参数，还可以将带宽进一步压窄，实现更大的相干时间；系统简单易于实现小型化集成；基于原子自旋进动的光布洛赫方程，通过调控阻尼作用，使系统带宽由γ提升至有效带宽γeff，同时通过检测光功率参数调节，实现在不显著损失甚低频原子磁强计的灵敏度的情况下拓宽检测带宽。

技术特征：

1.一种甚低频原子磁强计接收带宽提升方法，其特征在于，所述甚低频原子磁强计接收带宽提升方法包括：

2.根据权利要求1所述的甚低频原子磁强计接收带宽提升方法，其特征在于，所述体系新的动力学方程为其中，px为碱金属原子x方向极化投影强度，py为碱金属原子y方向极化投影强度，γ为碱金属原子旋磁比，b0为甚低频电磁信号的幅值，pz为碱金属原子z方向极化投影强度，γ为初始带宽参数，a为反馈参数。

3.根据权利要求2所述的甚低频原子磁强计接收带宽提升方法，其特征在于，由抽运光激光器(10)产生的抽运激光依次经过第一格兰泰勒棱镜(20)、四分之一波片(30)后进入原子气室(40)，通过与原子气室(40)中的碱金属原子相互作用，实现对碱金属原子的极化；由探测光激光器(100)产生的探测激光依次经过第二二分之一波片(110)、第二格兰泰勒棱镜(120)及第二反射镜(130)反射后进入所述原子气室(40)，经所述原子气室(40)出射的检测激光经第一反射镜(50)反射后经第一二分之一波片(60)及沃拉斯顿棱镜(70)后进入平衡零拍探测器(80)，所述平衡零拍探测器(80)采集的信号输出至数据采集与控制系统(90)；在所述原子气室(40)的外部设置三轴磁场线圈(140)及三轴磁通门(150)。

4.根据权利要求3所述的甚低频原子磁强计接收带宽提升方法，其特征在于，在对甚低频信号bxcos(ωt)进行检测时，先由数据采集与控制系统依据三轴磁通门的实时测最信息对气室环境磁场进行控制，使得x方向、y方向与z方向的磁场为0；在此基础上，由三维磁场线圈在z方向施加大小为b的主磁场；由于光的法拉第旋转角度θ正比于自旋系综在x方向的极化投影大小px，即：θ∝px，此时由平衡零拍探测器输出的信号大小将正比于：px＝mcos(ωt)，其中幅值m为原子在甚低频信号作用下的原子进动信号的幅值；当上述信号被检测到后，由数据采集与控制系统将该信号通过三轴磁场线圈，以大小bfb＝apx反馈至x方向，以将甚低频原子磁强计带宽由γ扩展至γ+aγpz。

5.根据权利要求4所述的甚低频原子磁强计接收带宽提升方法，其特征在于，所述法拉第旋转角θ可根据计算获取，其中，i1为所述沃拉斯顿棱镜(70)输出的第一激光的光强，i2为所述沃拉斯顿棱镜(70)输出的第二激光的光强，i0＝i1+i2，i0为两束激光的光强总和。

6.一种甚低频原子磁强计接收带宽提升系统，其特征在于，所述基于偏振选择接收的甚低频原子磁强计接收带宽提升系统使用如权利要求1至5所述的甚低频原子磁强计接收带宽提升方法进行甚低频原子磁强计接收带宽提升。

7.根据权利要求6所述的甚低频原子磁强计接收带宽提升系统，其特征在于，甚低频原子磁强计接收带宽提升系统包括抽运光激光器(10)、第一格兰泰勒棱镜(20)、四分之一波片(30)、原子气室(40)、第一反射镜(50)、第一二分之一波片(60)、沃拉斯顿棱镜(70)、平衡零拍探测器(80)、数据采集与控制系统(90)、探测光激光器(100)、第二二分之一波片(110)、第二格兰泰勒棱镜(120)、第二反射镜(130)、三轴磁场线圈(140)及三轴磁通门(150)，由所述抽运光激光器(10)产生的抽运激光依次经过所述第一格兰泰勒棱镜(20)、所述四分之一波片(30)后进入所述原子气室(40)，通过与所述原子气室(40)中的碱金属原子相互作用，实现对碱金属原子的极化；由所述探测光激光器(100)产生的探测激光依次经过所述第二二分之一波片(110)、所述第二格兰泰勒棱镜(120)及所述第二反射镜(130)反射后进入所述原子气室(40)，经所述原子气室(40)出射的检测激光经所述第一反射镜(50)反射后，经所述第一二分之一波片(60)及所述沃拉斯顿棱镜(70)后进入所述平衡零拍探测器(80)，所述平衡零拍探测器(80)采集的信号输出至所述数据采集与控制系统(90)；所述三轴磁场线圈(140)及所述三轴磁通门(150)设置在所述原子气室(40)的外部，所述三轴磁场线圈(140)用于产生三轴方向的磁场，由所述数据采集与控制系统(90)控制用于抵消环境磁场的干扰，同时提供反馈磁场，所述三轴磁通门(150)用来实时检测原子气室处的环境磁场大小，结果作为反馈变量输入所述数据采集与控制系统(90)。

技术总结
本发明提供了一种甚低频原子磁强计接收带宽提升方法及系统，该方法利用驱动激光对原子气室内碱金属原子沿着驱动激光方向进行极化；气室处外界磁场通过三轴磁线圈与三轴磁传感器补偿，提供零场环境，由线圈在驱动光方向施加主磁场B；x方向利用检测激光对极化原子在x方向的自旋投影信号的进动进行检测；外界甚低频信号通过与被极化在z方向的原子相互作用使得其在xOy平面产生进动信号，从而被检测光探测。检测光信号采集后，由控制系统通过线圈以阻尼磁场的形式反馈给原子系综，通过调节反馈参数实现对系统带宽的拓展，同时保持灵敏度不变。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中甚低频原子磁强计存在高灵敏度与高带宽不可兼得的技术问题。

技术研发人员：万双爱,卜文浩,秦杰,刘翔,郭宇豪,魏克全
受保护的技术使用者：北京自动化控制设备研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/4/6