一种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法及装置，属原子操控 和原子态检测领域。
【背景技术】
[0002] 20世纪90年代末以来，以原子自旋为敏感核心的原子自旋器件快速发展，并不 断革新前沿物理研宄、民生民计和军事国防等领域的发展。自旋是原子的内秉属性，对于 原子系综来说，原子自旋具有角动量，是其电子自旋角动量、轨道角动量和核子自旋角动量 的矢量合成，在惯性空间中具有空间定轴性，因此可以等效成转子陀螺仪中的高速转子，实 现惯性测量；当外界存在磁场时，原子自旋会发生拉莫尔进动，通过测量原子自旋进动还 可以实现磁场测量。因此原子自旋进动的测量是原子自旋器件实现的基础保障。随着光 电技术的迅猛发展，原子自旋进动检测技术不断完善，测量精度不断提高，已获得广泛应 用。在科学前沿研宄上，通过不断更新检测原理和技术，让人们对原子自旋态以及自旋进 动物理特性的认知不断深入，为如电偶极矩测量（EDM)和电荷-宇称-时间反演不守恒 (CPT-Violation)等前沿物理命题的探索提供强有力的技术保障；在工程应用方面，进动 检测系统稳定性和小型化的不断升级，让原子自旋器件走出物理实验室，开始服务于时间 频率基准、极弱磁的物质结构和化学成分分析，以及高精度导航和磁异常探测等领域，成为 引领高精度高灵敏度传感器的先驱。
[0003] 目前，原子自旋进动检测通常采用的是线偏振光的偏光检测法。对于原子系综来 说，自然状态下原子自旋是杂乱无章的，无法进行传感，因此，需要先利用共振圆偏振光抽 运碱金属原子，使原子极化并具有圆双折射特性，对入射的线偏振光具有旋光效应。当外 界存在磁场或有角速度输入时，原子发生进动，目前一般采用的方案是利用一束在原子共 振频率附近的线偏振光透射碱金属蒸气，利用偏光检测系统测量线偏振光偏振面转过的角 度，实现原子自旋进动测量。偏光检测系统由检测光源、起偏器、检偏器、调制器和光电探 测器组成。检测光源一般为窄线宽激光器，波长在偏离原子共振峰，吸收光强较小的频率附 近；光源发出的激光经过起偏器变成线偏振光，再经过待测碱金属气室进入检偏器，使检测 光偏振面的旋转转化为光强的变化，由光电探测器输出。一般，为了隔绝低频噪声，在检偏 器前会加入法拉第调制器或PEM光弹调制器等光调制器件。但是，对光源和环境的稳定性 要求较高等问题限制了系统精度的进一步提高，特别在保证原子自旋器件高灵敏特性的前 提下，保持系统长时间稳定性和提高集成度方面需要改进的新思路和新方法。
[0004] 极化碱金属气室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。利用这一特性结合相干检测技术提出一种基于圆偏振光的原子自旋进动检测 方法，可以保障检测灵敏度的同时，有效提高原子自旋进动检测系统的稳定性，并具有体积 小、易集成的特点。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：克服偏振检测法对环境敏感的瓶颈，提供一种新型 的基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法及装置，能够在保证测量精度的前提下实现 低成本、稳定性强的原子自旋进动信号的测量。
[0006] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于圆偏振探测光的原子自旋 进动检测方法，该方法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汽 室，由于原子汽室内极化原子具有旋光特性，通过汽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，用圆偏光干涉技术使左右旋圆偏振光发生干涉，通过相位差测量实现原子自旋进动 的高灵敏度检测。
[0007] 进一步的，左右旋圆偏光通过原子气室一次的相位差与原子自旋进动信号Px成正 比，由下式描述：
【主权项】
1. 一种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法，其特征在于：该方法采用双折射 光路形成左右圆偏振光，将左右旋圆偏光入射到原子汽室，由于原子汽室内极化原子具有 旋光特性，通过汽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，用圆偏光干涉技术使左右旋 圆偏振光发生干涉，通过相位差测量实现原子自旋进动的高灵敏度检测。
2. 根据权利要求1所述的一种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法，其特征 在于：左右旋圆偏光通过原子气室一次的相位差与原子自旋进动信号P x成正比，由下式描 述，
其中，1为气室长度，C为光速，&为电子半径，η为碱金属原子数密度，f为原子和光的 作用强度，V为光频率，Vtl为碱金属原子光共振跃迀频率，D( v-v J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。
3. 根据权利要求1所述的一种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法，其特征在 于：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，形成互易光 路。
4. 根据权利要求1所述的一种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法，其特征在 于：用圆偏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。
5. -种基于圆偏振探测光的原子自旋进动检测装置，该装置实现权利要求1所述的基 于圆偏振探测光的原子自旋进动检测方法，其特征在于：该装置由光电模块（2)、保偏光纤 光缆（3)和原子传感模块（4)组成，光电模块（2)和原子传感模块（4)通过保偏光纤光缆 (3)连接； 光电模块⑵由光源（21)、光纤分/合光器（22)、光纤起偏器（23)、相位调制器（24)、 探测器（25)和信号检测电路（26)组成，信号检测电路（26)与信号出端（27)连接，光源 (21)、光纤分/合光器（22)、光纤起偏器（23)、探测器（25)间通过单模或保偏光纤连接、光 纤起偏器（23)与相位调制器（24)通过保偏光纤在p点熔接，在p点，熔接的两段保偏光纤 偏振轴交叉连接；信号检测电路（16)输出调制信号给相位调制器（24)，接收探测器（25) 输出的光电信号，通过相关检测，输出与原子进动成正比例的电信号； 原子传感模块（4)由扩束镜（41)、λ/4波片（42)、原子气室（43)、反射镜（44)和磁屏 蔽腔（45)组成，扩束镜（41)将保偏光纤光缆（3)输出的相互垂直振动的线偏振光扩束成 平行光束，经λ/4波片（42)后转换为旋向相反的左、右旋圆偏光，通过原子气室（43)、经 反射镜（44)原路返回，通过原子气室（43)、λ/4波片（42)、扩束镜（41)后，转换为线偏振 光，注入保偏光纤光缆（3)。
6. 根据权利要求5所述原子自旋进动检测装置，其特征在于：所述的光源（21)可为宽 谱或窄线宽光源，其波长偏离气室原子吸收谱线，一般为〇. 2-0. 5nm。
7. 根据权利要求5所述原子自旋进动检测装置，其特征在于：所述的光纤起偏器（23) 与相位调制器（24)通过保偏光纤在p点熔接，在p点，熔接的两段保偏光纤偏振轴交叉连 接，具体的交叉角为45度。
【专利摘要】本发明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。本发明设计了基于保偏光纤的反射式光纤圆偏光干涉仪装置，实现原子自旋进动检测。本发明实现原子自旋进动检测，精度和灵敏度高，抗干扰能力强，体积小。为基于原子自旋进动测量的原子自旋传感器提供了超高灵敏、超高精度的实用检测方法和装置。
【IPC分类】G01J9-02
【公开号】CN104677508
【申请号】CN201510114179
【发明人】杨远洪, 刘学静, 靳伟
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月16日