CN112013828A - 一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，它将含有气态自旋的玻璃气室置于碱金属激光谐振腔内构成激光器的一部分，并实现自旋极化，作为一个基本器件供核磁共振陀螺使用。并通过在腔内置入水晶旋光器，使通过传感室的激光为圆偏振态，即可使传感室中的碱金属原子产生自旋极化。通过增加激光频率和功率的稳定控制结构，使出射激光的频率和功率参数稳定。本发明将碱金属增益介质和自旋传感原子气室集成在一起，提供了一种有参数稳定控制的极化装置，具有结构简单，紧凑性好，稳定性好，价格低廉等优点，在核磁共振陀螺等原子传感装置中具有良好的应用前景。

Description

一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺
技术领域
本发明涉及基于原子自旋对角速度甚至自旋与其它物理场（如磁场）相互作用的高灵敏度测量，属于原子传感领域。
背景技术
利用原子自旋（如碱金属电子自旋、惰性气体核自旋）可实现角速度等物理量的精密测量，如基于原子自旋的核磁共振陀螺兼有小体积、高精度等优点，在惯性技术领域具有很大的应用潜力。
在利用原子自旋进行测量的装置中，一般采用玻璃气室密封一定量的碱金属气体，有时还需要密封缓冲气体如氦气、淬灭气体如氮气、提供核自旋的惰性气体等。为了极化原子自旋，通常采用自旋交换光泵浦技术，即利用与碱金属原子共振的圆偏振激光照射碱金属蒸气，碱金属原子吸收圆偏振光子后获得一个单位角动量，从而产生自旋极化。当玻璃气室内存在惰性气体时，通过碱金属原子与惰性气体之间的自旋交换作用，可将角动量转移到惰性气体核自旋，从而实现核自旋的自旋极化。极化之后的原子自旋可利用核磁共振、光磁共振等原理来实现角速度、磁场等物理量的测量。
为了便于说明，下面我们将以核磁共振陀螺为例对本发明进行说明，但本发明也可稍作修改而用于自旋交换无弛豫原子自旋陀螺（SERF陀螺）、原子磁力仪等装置。
半导体激光器具有体积小、电光转换效率高、波长范围广且易调谐等优点，因而被广泛用于原子自旋的极化装置中。但为了获得稳定、均匀的原子自旋极化效果，半导体激光器需要进行整形、准直、稳频等操作，因此附属元器件较多，而且半导体激光器的工作电流和电制冷器（TEC）电流会产生一定的磁场，有可能影响自旋的工作状态，对核磁共振陀螺带来不利影响。
发明内容
本发明提出一种抽运激光与原子传感气室一体集成的核磁共振陀螺，它将含有气态自旋的传感玻璃气室（称为传感室）置于碱金属激光谐振腔内构成激光器的一部分，作为一个基本器件供核磁共振陀螺使用。下面介绍工作原理。在一个玻璃气室中充入铷原子以及所需的缓冲气体，置于激光谐振腔内，构成增益室。铷原子最低能级为52S1/2(1)态，如图1所示，其第一激发态为52P1/2(2)态，第二激发态为52P3/2(3)态。52S1/2(1)态与52P1/2(2)态之间的跃迁谱线称为D1(4)线，52S1/2(1)态与52P3/2(3)态之间的跃迁谱线称为D2(5)线。采用波长与D2(5)线共振的激光器（如780nm的半导体激光器），可以将碱金属原子从52S1/2(1)态泵浦到52P3/2(3)态，然后原子又通过与玻璃气室中的缓冲气体进行碰撞而跃迁到52P1/2(1)态。当泵浦光足够强时，可在52P1/2(2)态与52S1/2(1)态之间形成粒子数反转，从而为D1(4)线谱线提供增益，因此增益室中碱金属蒸气构成增益介质。在典型的使用条件下，增益介质的增益线宽在10GHz～1000GHz，中心频率非常接近D1(4)线，但依赖于增益气室中的气体参数，可能会有点偏移。将增益室置于激光谐振腔中，当D1(4)线单程增益大于腔损耗时可获得D1(4)线的激光输出。在典型参数下，碱金属蒸气的增益比较大，可允许较大的往返损耗。我们将用来提供增益的气室叫做增益室，用于原子传感的玻璃气室叫做传感室。
本发明一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，包括激光谐振腔、增益室、传感室、泵浦光，其中，增益室、传感室都置于激光谐振腔中，增益室及传感室内分别充入至少一种碱金属蒸气及相应的缓冲气体，泵浦光通过与增益室内碱金属匹配的泵浦光使增益室产生增益，从而增益室与激光谐振腔一起产生激光，该激光通过传感室，使传感室中的碱金属原子产生自旋极化；
所述传感室腔内放置水晶旋光器，使通过传感室的激光为圆偏振态，从而使传感室中的碱金属原子产生自旋极化；
所述泵浦光可采用廉价的半导体激光器，且可通过光纤传输，因此可消除半导体激光器附加磁场的影响；利用增益室和谐振腔构成的碱金属激光具有较窄的线宽和良好的光束质量，光束方向非常稳定，而且还可利用玻璃气室（传感室）的吸收凹陷进行稳频，因此可实现稳定的自旋极化。与采用窄线宽半导体激光器对玻璃气室中的原子自旋进行极化的方法相比，本发明所提出的极化方法具有结构紧凑、所需元件少、激光频率稳定性好、价格低廉等优点。
本发明提出一种抽运激光与原子传感气室一体集成的核磁共振陀螺。现有方法使用半导体激光器，出射激光需经过整形、扩束、准直、隔离等操作之后，与传感室相匹配并使其中的自旋极化。而使用本装置，激光在谐振腔中来回振荡，使光束充满整个谐振腔，能实现传感室内铷原子的极化，本身就可以作为极化源来实现核磁共振陀螺甚至SERF陀螺、磁力仪等量子器件，不需要外加光学元件对其处理。
附图说明
图1为碱金属87Rb能级结构示意图，
图2为集成自旋极化源结构示意图，
图3为激光频率控制原理图，
图4为激光频率控制过程示意图，
图5为激光功率控制过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方式进行详细说明：
增益室：充入碱金属（21Na、39K、85Rb、87Rb、 133Cs的一种或多种）蒸气和缓冲气体（甲烷、氦气等的一种或多种）；再结合谐振腔和泵浦激光产生碱金属D1线波长对应的碱金属激光，如85Rb和87Rb对应795nm波长，133Cs对应854nm波长；
传感室：至少充入一种对应增益室所充的碱金属，其D2线要与碱金属激光波长匹配共振。如碱金属激光为795nm波长，那么传感室就至少要充85Rb和87Rb中的一种或两种，但不排除再充入其它碱金属蒸气；
当传感室仅充入碱金属时，可实现磁力仪；
当传感室充入碱金属后，充入氮气等作为缓冲气体，可实现磁力仪或原子钟；
当传感室充入碱金属后，充入具有核自旋的惰性气体同位素（至少3He、129Xe、131Xe、21Ne、83Kr中的一种，但不排除多充几种），可实现磁力仪，陀螺仪（核磁共振陀螺、或SERF陀螺）。
一种结构如附图2所示。其中球面反射镜Ⅰ(6)、球面反射镜Ⅱ(7)、平面反射镜Ⅰ(8)、平面反射镜Ⅱ(9)，它们构成一个稳定的环形谐振腔。通过对球面反射镜Ⅰ(6)、球面反射镜Ⅱ(7)、平面反射镜Ⅰ(8)、平面反射镜Ⅱ(9)镀制介质膜，使球面反射镜Ⅰ(6)、球面反射镜Ⅱ(7)、平面反射镜Ⅰ(8)、平面反射镜Ⅱ(9)对795nm激光实现高反射率（反射率>90%），使球面反射镜Ⅰ(6)、球面反射镜Ⅱ(7)、平面反射镜Ⅰ(8)、平面反射镜Ⅱ(9)中至少一个反射镜对780nm激光实现高透过率（透过率>70%）。增益室(10)中充入Rb蒸气以及缓冲气体如CH4等，将增益室(10)加热至373K左右以使Rb气化。泵浦光(11)采用半导体激光器出射光，波长在780nm附近，将其偏振调整为垂直纸面的线偏振，并通过聚焦透镜(12)聚焦，球面反射镜Ⅱ(7)上有镀膜，可以实现780nm激光透过，795nm激光反射。在泵浦光(11)作用下，增益室(10)中的Rb原子被激发到52P3/2(3)态，然后通过与缓冲气体的碰撞以及自发辐射跃迁到52P1/2(2)态。当泵浦激光功率密度超过某阈值后，Rb原子在52P1/2态与52S1/2态形成粒子数反转，从而为795nm的光场提供增益，并与激光谐振腔一起构成795nm的激光器。在传感室(13)右侧放置一个水晶旋光器(14)，通过选择合适的旋光角（>5度），使环形谐振腔的自再现光场为圆偏振场（椭圆度0.9以上）。传感室(13)是一个玻璃气室，两面镀795nm的增透膜以减小损耗，内部充入87Rb气体，以及N2、129Xe等气体。环形谐振腔中产生的795nm的圆偏振光被传感室(13)中的Rb原子吸收，其携带的角动量转移到Rb原子上从而使之产生极化。平面反射镜Ⅲ(14)上安装有压电陶瓷微位移器(15)，用来调整环形谐振腔腔长。一般情况下，为了保证自旋极化稳定，还会在沿光轴方向给传感室施加一定的轴向磁场。
为了确保激光器运行在单纵模状态，需要对激光器频率进行控制。根据激光原理，激光谐振腔产生的纵模间隔为
Figure 158123DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为光速，
Figure 12947DEST_PATH_IMAGE003
为环形谐振腔一圈的光程。纵模谱在频率轴上的分布如附图3所示。
在附图3中，增益室产生的增益线宽(16)为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，典型线宽在若干10GHz的宽度。而传感室中的Rb原子吸收谱线，典型线宽(17)在GHz量级。激光纵模(18)、增益曲线(19)以及吸收曲线(20)如附图3所示。根据激光原理可知，落在增益曲线(19)范围内的激光纵模只要增益大于损耗都有可能振荡。我们希望使激光纵模(18)的频率等于吸收曲线(20)的中心频率，并且只有单模振荡，这就需要对激光器激光频率进行控制。以环形腔程长10cm为例，纵模间隔(21)为3GHz，则在增益宽度内有若干个纵模。通过改变泵浦光功率来调整增益参数，使吸收曲线（20）中心频率处增益-损耗大于相邻模的增益-损耗，即使位于吸收曲线中心处的纵模净增益最大，而其它纵模的增益较小，小于腔损耗，这样即可实现单纵模运转。然后在压电陶瓷（15）上施加小抖动调制电压，使腔长做小幅度振荡，这时激光光强将会受到调制。利用与兰姆凹陷相同的方法，可将激光频率稳定在吸收曲线的中心频率上。
我们在压电陶瓷(15)上加有两种电压，一是直流电压，用来控制激光工作频率；另一是频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的调制电压，用来对谐振腔长进行小幅度调制，从而调制激光振荡频率。当激光频率偏移中心频率时，激光功率会产生
Figure 811062DEST_PATH_IMAGE007
的变化，此光信号被光电探测器(22)接收变换成相应的电信号，经过前置放大(23)、选频放大(24)后送入相敏检波器(25)。此信号会与参考信号(26)进行对比，并经过PID控制后输出一个直流控制电压，继而经过直流放大(27)、调制升压(28)与整流(29)，反馈给压电陶瓷(15)。此电压通过调整压电陶瓷沿光轴方向的位移，从而调整谐振腔长，以达到控制频率稳定的目的。相敏检波器(25)的作用为将选频放大后的信号电压与参考信号电压进行相位比较。当选频放大信号为零时，相敏输出为零；当选频放大信号和参考信号同相位时，相敏输出的直流电压为正，反之则为负。当直流控制电压作用到压电陶瓷(15)上，使相敏输出为零时，即可实现激光频率稳定，这时激光频率位于吸收曲线（20）的吸收中心。
除了激光频率稳定外，我们还希望激光功率也能保持稳定，从而使极化率保持稳定。为了达到这个目的，我们对泵浦激光的功率或偏振进行控制，从而改变增益曲线的峰值增益。调整泵浦激光器的激光功率可以达到调整极化源出光功率的目的。将光电探测器(22)探测到的激光功率，通过数据采集卡(30)传送给数据处理程序(31)，与设定的激光功率参考值相比较，将处理后的误差信号反馈给泵浦光激光器控制器（32）从而控制激光器(33)出光。当出光功率小于参考值时，程序输出为正，从而增大泵浦光激光器电流以增大出光功率；当出光功率大于参考值时，程序输出为负，从而减小泵浦光激光器电流以减小出光功率。最终光功率将稳定在参考值上。
将本发明的自旋极化装置作为核磁共振陀螺的核心器件，配上检测光路、电子控制***、温控***等即可实现核磁共振陀螺，相关方法可参考核磁共振陀螺相关资料，这对本领域科研人员而言是已知的，有详细的文献资料可查。
本发明以核磁共振陀螺为例对一种抽运激光与原子传感气室一体集成的自旋极化装置进行了说明，但该装置通过调整增益室和传感室的气体参数并配上相应的外部元件和电路，还可用于实现磁场测量、暗物质场测量等装置。

Claims (7)

1.一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，将含有气态自旋的传感室置于激光谐振腔内构成激光器的一部分，作为一个基本器件供核磁共振陀螺使用，其特征在于，包括激光谐振腔、增益室、传感室、泵浦光，其中，增益室、传感室置于激光谐振腔中，增益室及传感室内分别充入至少一种碱金属蒸气及相应的缓冲气体，泵浦光通过与增益室内碱金属匹配的泵浦光使增益室产生增益，从而增益室与激光谐振腔一起产生激光，该激光通过传感室，使传感室中的碱金属原子产生自旋极化；
所述传感室腔内放置水晶旋光器，使通过传感室的激光为圆偏振态，使传感室中的碱金属原子产生自旋极化；
所述泵浦光采用半导体激光器，且通过光纤传输，消除半导体激光器附加磁场的影响；
所述抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，激光在谐振腔中来回振荡，使光束充满整个谐振腔，能实现传感室内碱金属的极化，可作为极化源来实现核磁共振陀螺、SERF陀螺、磁力仪、原子钟。
2.根据权利要求1所述的一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，其特征在于，
所述增益室：充入碱金属21Na、39K、85Rb、87Rb、 133Cs的一种或多种蒸气和缓冲气体甲烷、氦气的一种或多种，再结合谐振腔和泵浦激光产生碱金属D1线波长对应的碱金属激光；
所述传感室：至少充入一种对应增益室所充的碱金属，其D1线与碱金属激光波长匹配共振，不排除再充入其它碱金属蒸气。
3.根据权利要求1所述的一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，其特征在于，当传感室仅充入碱金属时，实现磁力仪；
当传感室充入碱金属后，充入氮气作为缓冲气体，实现磁力仪或原子钟；
当传感室充入碱金属后，充入具有核自旋的惰性气体同位素3He、129Xe、131Xe、21Ne、83Kr中的一种或几种，实现磁力仪、陀螺仪。
4.根据权利要求1所述的一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，其特征在于，所述激光谐振腔是由两个球面反射镜、两个平面反射镜构成的一个稳定激光谐振腔。
5.根据权利要求4所述的一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，其特征在于，所述平面反射镜上安装有压电陶瓷微位移器，用来调整激光谐振腔腔长，在压电陶瓷上施加抖动调制电压，使腔长做微小振荡，激光光强受到调制，将激光频率稳定在吸收曲线的中心频率上。
6.根据权利要求4所述的一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，其特征在于，所述球面反射镜、平面反射镜镀制介质膜，使球面反射镜、平面反射镜对激光实现高反射率，反射率>90%。
7.根据权利要求1所述的一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺，其特征在于，传感室是一个玻璃气室，两面镀增透膜以减小损耗。
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