CN106443520A - 一种双轴原子自旋磁强计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双轴原子自旋磁强计，包括碱金属气室、无磁电加热设备、三维磁线圈、磁屏蔽层、抽运激光模块和检测激光模块。所述碱金属气室内有碱金属原子、淬灭气体和缓冲气体；无磁电加热设备和磁屏蔽层使碱金属原子工作在高温、低磁场环境下，保证其处于无自旋交换弛豫状态；抽运激光模块用于极化碱金属原子；检测激光模块包括两束独立的相互垂直的检测激光，用于同时敏感两个相互垂直方向的磁场强度，通过锁相放大器解调出测量结果。本发明通过一个碱金属气室能够同时获得双轴磁场信息，并且具有灵敏度高、集成度高和成本低的特点，在脑磁和心磁测量等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种双轴原子自旋磁强计
技术领域
本发明涉及磁强计技术领域，具体涉及一种双轴原子自旋磁强计，可同时获得双轴矢量磁场信息，具有灵敏度高、集成度高与成本低的优点，有利于形成磁强计阵列，可应用于心磁、脑磁测量等领域。
背景技术
随着社会经济的快速发展，对于极弱磁场测量的需求日益迫切，尤其是在医疗器械和水下反潜等领域，因此超高灵敏度磁强计的发展直接影响着国家综合实力的提升和人民生活水平的提高。超导量子磁强计(SQUID)是目前使用最广的灵敏度较高的磁强计，但其需要工作在超低温条件下，因此要求提供稳定的冷却***，致使设备体积大并且成本高。近年来，随着人们对量子物理的探索不断深入，由普林斯顿大学的Romalis小组提出的无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free Regime,SERF)原子磁强计(简称SERF磁强计)有极高的理论灵敏度，并且到目前已经实现低频磁场测量灵敏度亚飞特量级，远超过SQUID的性能，然而只有单轴SERF原子磁强计的低频磁场测量灵敏度能达到飞特量级，测量效率低，不利于形成集成度高的磁强计阵列。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种灵敏度高、集成度高的双轴SERF原子磁强计，可同时对两个方向的磁场进行测量，提高了测量效率。
本发明的技术方案如下：一种双轴原子自旋磁强计，包括碱金属气室12、无磁电加热设备13、三维磁线圈14、磁屏蔽层15、抽运激光模块18和检测激光模块19。碱金属气室12安装于原子磁强计中心处，其外部结构依次为无磁电加热设备13、三维磁线圈14和磁屏蔽层15，其中无磁电加热设备13用于对碱金属气室12进行加热，三维磁线圈14用于生成作用于原子的直流或交流磁场，磁屏蔽层15则用于屏蔽外界磁场对原子的干扰。检测激光模块19的主检测光束由检测光激光器1发出，依次通过第一起偏器2、调制器3、第一1/4波片4、分光棱镜5而后分为第一检测光束和第二检测光束；第一检测光束沿x轴方向传播，依次通过碱金属气室12、第一检偏器6、第一光电探测器7，而后光信号被转换成电流信号输送给锁相放大器16进行解调，用于获得碱金属气室12中原子敏感到的矢量磁场强度，最后解调得到的磁场强度数据在信号处理器17中处理显示，其中第一起偏器2的透光轴方向与第一1/4波片4的主轴方向、调制器3的主轴方向、第一检偏器6的透光轴方向之间的夹角分别为0°、45°和90°；第二检测光束经过平面反射镜改变传播方向，最后沿y轴方向通过碱金属气室12，而后光学设计与第一检测光束相同，依次经过检偏器和光电探测器后光信号被转换成电信号输送给锁相放大器16进行解调，用于获得碱金属气室12中原子敏感到的矢量磁场强度，最后解调得到的磁场强度数据在信号处理器17中处理显示；抽运激光模块18的抽运光束由抽运光激光器8发出，沿z轴方向传播，依次经过第二起偏器9、1/2波片10、第二1/4波片11，而后变为圆偏振光，最后穿过碱金属气室12极化碱金属原子。
所述抽运光束为圆偏振激光，用于极化碱金属原子。第一检测光束和第二检测光束均为线偏振激光，通过检测磁场强度变化引起的检测光光偏振方向的变化，测得y轴方向和x轴方向磁场强度。在通过碱金属气室12时，抽运光束沿z轴方向传播，第一检测光束沿x轴方向传播，第二检测光束沿y轴方向传播，三束光束的传播方向两两相互垂直，并且在碱金属气室12中心处相汇。
所述碱金属气室12中封有碱金属原子、淬灭气体和缓冲气体，工作原子为碱金属原子，工作时处于无自旋交换弛豫状态，即SERF态；淬灭气体用于吸收激发态跃迁到基态时碱金属原子释放的光子，保证抽运光对原子的极化；缓冲气体为惰性气体，用来减小原子的自旋碰撞。
所述调制器3可选用声光调制器、光弹调制器或电光调制器。
所述一种双轴原子自旋磁强计进行双轴矢量磁场检测的原理为：
(1)启动无磁电加热设备13对碱金属气室12加热到设置温度，而后通过控制三维磁线圈14的电流量，调节三维磁线圈14产生的磁场，使碱金属气室12内抽运光束、第一检测光束和第二检测光束传播方向的剩余磁场补偿至零，避免外界剩余磁场对测量结果的影响，使碱金属原子工作在无自旋交换弛豫状态。
(2)在通过碱金属气室12时，抽运光束沿z轴方向，用于极化碱金属原子；第一检测光束沿x轴方向，用于检测y轴方向磁场大小；第二检测光束沿y轴方向，用于检测x轴方向磁场大小，即：
双轴磁强计电子横向极化率，即电子自旋稳态响应：
其中等效磁场 为电子自旋纵向极化率，Px为电子x轴方向极化率，Py为电子y轴方向极化率，Rp为抽运光束对电子的光抽运率，Rrel为电子的弛豫率，为被测环境磁场强度矢量，一般在飞特量级，γe为碱金属电子的旋磁比。
碱金属原子在SERF态下，环境磁场一般在飞特量级，故有忽略二阶小量，电子横向极化率简化为：
其中Rp为抽运光束对电子的光抽运率，Rrel为电子的弛豫率，γe为碱金属电子的旋磁比，为电子自旋纵向极化率，Px为电子x轴方向极化率，Py为电子y轴方向极化率，Bx为x轴方向待测磁场强度，By为y轴方向待测磁场强度。最终可通过第一检测光束得到y轴待测磁场强度By，通过第二检测光束得到x轴待测磁场强度Bx。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明结构简单，整体设计上不需要制冷***，所以具有体积小、成本低的优点；并且能够同时敏感两个方向的磁场信息，具有高的磁场测量灵敏度和稳定性，提高了测量效率和集成度，有利于形成磁强计阵列，在脑磁、心磁测量等领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种双轴原子自旋磁强计示意图。
图2为透过碱金属气室的光路示意图。
图中：1——检测光激光器，2——第一起偏器，3——调制器，4——第一1/4波片，5——分光棱镜，6——第一检偏器，7——第一光电探测器，8——抽运光束激光器，9——第二起偏器，10——1/2波片，11——第二1/4波片，12——碱金属气室，13——无磁电加热设备，14——三维磁线圈，15——磁屏蔽层，16——锁相放大器，17——信号处理器，18——抽运激光模块，19——检测激光模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明提出一种双轴原子自旋磁强计，包括碱金属气室12、无磁电加热设备13、三维磁线圈14、磁屏蔽层15、抽运激光模块18和检测激光模块19。碱金属气室12安装于原子磁强计中心处，其外部结构沿径向方向依次为无磁电加热设备13、三维磁线圈14和磁屏蔽层15，其中无磁电加热设备13用于对碱金属气室12进行加热，三维磁线圈14用于生成作用于原子的直流或交流磁场，磁屏蔽层15则用于屏蔽外界磁场对原子的干扰。检测激光模块19的主检测光束由检测光激光器1发出，依次通过第一起偏器2、调制器3、第一1/4波片4、分光棱镜5，而后分为第一检测光束和第二检测光束；第一检测光束沿x轴方向传播，依次通过碱金属气室12、第一检偏器6、第一光电探测器7，而后光信号被转换成电流信号输送给锁相放大器16进行解调，用于获得碱金属气室12中原子敏感到的矢量磁场强度，最后解调得到的磁场强度数据在信号处理器17中处理显示，其中第一起偏器2的透光轴方向与第一1/4波片4的主轴方向、调制器3的主轴方向、第一检偏器6的透光轴方向之间的夹角分别为0°、45°和90°；第二检测光束经过平面反射镜改变传播方向，最后沿y轴方向通过碱金属气室12，而后光学设计与第一检测光束相同，依次经过检偏器和光电探测器后光信号被转换成电信号输送给锁相放大器16进行解调，用于获得碱金属气室12中原子敏感到的矢量磁场强度，最后解调得到的磁场强度数据在信号处理器17中处理显示；抽运激光模块18的抽运光束由抽运光激光器8发出，沿z轴方向传播，依次经过第二起偏器9、1/2波片10、第二1/4波片11，而后变为圆偏振光，最后穿过碱金属气室12极化碱金属原子。
如图2所示，在通过碱金属气室12时，抽运光束沿z轴方向传播，第一检测光束沿x轴方向传播，第二检测光束沿y轴方向传播，三束光束的传播方向两两相互垂直，并且在碱金属气室12中心处相汇。第一检测光束和第二检测光束均为线偏振激光，通过检测磁场强度变化引起的检测光光偏振方向的变化，测得y轴方向和x轴方向磁场强度。
所述碱金属气室12中封有碱金属原子、淬灭气体和缓冲气体，工作原子为碱金属原子，一般为K、Rb、Cs等中的一种或多种碱金属元素，工作时处于无自旋交换弛豫状态，即SERF态；淬灭气体用于吸收激发态跃迁到基态时碱金属原子释放的光子，保证抽运光对原子的极化，一般为N2或者H2；缓冲气体为惰性气体，用来减小原子的自旋碰撞，一般为4He。
所述调制器3可选用声光调制器、光弹调制器或电光调制器。
所述一种双轴原子自旋磁强计进行双轴矢量磁场检测的原理为：
(1)启动无磁电加热设备13，对碱金属气室12加热到设置温度，一般在150℃到200℃之间，而后通过控制三维磁线圈14的电流量，调节三维磁线圈14产生的磁场,使碱金属气室12内抽运光束、第一检测光束和第二检测光束传播方向的剩余磁场补偿至零，避免外界剩余磁场对测量结果的影响，使碱金属原子工作在无自旋交换弛豫状态，即SERF态。
(2)在通过碱金属气室12时，抽运光束沿z轴方向，用于极化碱金属原子；第一检测光束沿x轴方向，用于检测y轴方向磁场大小；第二检测光束沿y轴方向，用于检测x轴方向磁场大小，即：
双轴磁强计电子横向极化率，即电子自旋稳态响应：
其中等效磁场 为电子自旋纵向极化率，Px为电子x轴方向极化率，Py为电子y轴方向极化率，Rp为抽运光束对电子的光抽运率，Rrel为电子的弛豫率，为被测环境磁场强度矢量，一般在飞特量级，γe为碱金属电子的旋磁比。
碱金属原子在SERF态下，环境磁场一般在飞特量级，故有忽略二阶小量，电子横向极化率简化为：
其中Rp为抽运光束对电子的光抽运率，Rrel为电子的弛豫率，γe为碱金属电子的旋磁比，为电子自旋纵向极化率，Px为电子x轴方向极化率，Py为电子y轴方向极化率，Bx为x轴方向待测磁场强度，By为y轴方向待测磁场强度。最终可通过第一检测光束得到y轴被测磁场强度By，通过第二检测光束得到x轴被测磁场强度Bx。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，进行的任何替换和改进都是允许的，也在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双轴原子自旋磁强计，其特征在于：包括碱金属气室(12)、无磁电加热设备(13)、三维磁线圈(14)、磁屏蔽层(15)、抽运激光模块(18)和检测激光模块(19)；碱金属气室(12)安装于原子磁强计中心处，其外部结构沿径向方向依次为无磁电加热设备(13)、三维磁线圈(14)和磁屏蔽层(15)；检测激光模块(19)的主检测光束由检测光激光器(1)发出，依次通过第一起偏器(2)、调制器(3)、第一1/4波片(4)、分光棱镜(5)而后分为第一检测光束和第二检测光束；第一检测光束沿x轴方向传播，依次通过碱金属气室(12)、第一检偏器(6)、第一光电探测器(7)，而后光信号被转换成电信号输送给锁相放大器(16)进行解调，用于获得碱金属气室(12)中原子敏感到的矢量磁场强度，最后解调得到的磁场强度数据在信号处理器(17)中处理显示；第二检测光束经过平面反射镜改变传播方向，最后沿y轴方向通过碱金属气室(12)，而后光学设计与第一检测光束相同，依次经过检偏器和光电探测器后光信号被转换成电信号输送给锁相放大器(16)进行解调，用于获得碱金属气室(12)中原子敏感到的矢量磁场强度，最后解调得到的磁场强度数据在信号处理器(17)中处理显示；抽运激光模块(18)的抽运光束由抽运光激光器(8)发出，沿z轴方向传播，依次经过第二起偏器(9)、1/2波片(10)、第二1/4波片(11)，而后变为圆偏振光，最后穿过碱金属气室(12)极化碱金属原子。
2.根据权利要求1所述的一种双轴原子自旋磁强计，其特征在于：所述抽运光束在通过碱金属气室(12)时沿z轴方向，第一检测光束在通过碱金属气室(12)时沿x轴方向，第二检测光束在通过碱金属气室(12)时沿y轴方向，三束光束的传播方向两两相互垂直，并且在碱金属气室(12)中心处相汇。
3.根据权利要求1所述的一种双轴原子自旋磁强计，其特征在于：所述第一检测光束和第二检测光束均为线偏振激光，通过检测磁场强度变化引起的检测光光偏振方向的变化，测得y轴方向和x轴方向磁场强度。
4.根据权利要求1所述的一种双轴原子自旋磁强计，其特征在于：所述碱金属气室(12)中包括碱金属原子、淬灭气体和缓冲气体。
5.根据权利要求1所述的一种双轴原子自旋磁强计，其特征在于：所述调制器(3)为声光调制器、光弹调制器或电光调制器。
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