CN113687290B - 基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于原子测量技术领域，公开了一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，包括：探测光源，所述探测光源输出的第一探测光经第一半波片、第一起偏器及透镜后，沿X方向入射至原子气室，然后经第二半波片，第一渥拉斯顿棱镜后被第一平衡探测器探测；所述原子气室设置在磁屏蔽筒内，所述磁屏蔽筒内设置有用于提供沿Y方向磁场的第一亥姆霍兹线圈；所述第一平衡探测器的输出端分别连接第一快速傅里叶变换动态信号分析仪；所述第一快速傅里叶变换动态信号分析仪用于对探测信号进行分析，得到对应的拉莫尔进动频率。本发明可以实现霍尔磁强计的校准，可以广泛应用于磁强计校准领域。

Description

基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置和方法

技术领域

本发明属于原子测量技术领域，具体涉及一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置和方法。

背景技术

Aleksandrov和Zapasskii证明碱金属原子的自旋噪声可通过无扰动的失谐的探测激光进行探测。自旋噪声谱技术的基本原理就是将原子的随机自旋涨落映射到线偏振光上，通过偏振面的旋转反映出来。对于一个处于热平衡状态的原子***，其自旋极化的平均值m_z = (N↑ − N↓)/(N↑ + N↓)经长时间平均后为0，其中N↑与N↓分别表示自旋向上与自旋向下的粒子数，N↑ + N↓表示激光探测到的总自旋粒子数。但是，由于热涨落的存在，使得***中的N↑与N↓存在随机的起伏，相应的磁矩m_z出现随机涨落，此时如果我们给样品施加一个横向磁场，则样品中随机起伏的自旋粒子会绕着磁场以某一特定频率进动，这即是待探测的自旋噪声信号。

自旋噪声谱作为一种探测自旋噪声大小的手段，有着广泛的应用。在半导体领域中，可以用来测量半导体中的电子掺杂浓度及量子点系综中的单孔自旋检测。

磁场是最基本和最普遍的物理观测对象之一，承载着关于所有电磁现象的信息。因此对于磁场准确性的测量尤为重要。为了更便捷地对周围环境磁场进行测量，目前已经研制了许多商用的磁强计，包括质子旋进磁强计、欧弗豪泽磁强计、氦光泵磁强计、铯光泵磁强计、高温超导量子干涉装置(SQUID)等等。然而由于不同磁强计其设计的的原理及工作方式不同，测量的磁场量程范围、测量精度及准确度也会有所差异，尤其随着使用环境的变化及使用时间的延长，测量准确度及误差也会随之变差。因此非常有必要建立一种方法对商用磁强计在不同时间段内进行测量准确度等性能的评估和校准。本发明针对商用的霍尔磁强计其性能进行评估和校准。该磁强计生产厂家为美国lakeshore公司，型号为DSP455，带有轴向探头和径向探头两磁感应探头，磁场测量范围为3.5uT~35T，可对三维立体空间中任意放向的磁场进行测量。

传统的霍尔磁强计校准方式是将磁探头放置于磁屏蔽筒中进行置零操作，由于探头中心位置的放置误差和置零过程中的位置抖动，导致探头不能完全置零，且该操作对磁屏蔽筒的磁屏蔽性能有极高的要求，一般的磁屏蔽装置很难满足。

原子是自然界中最灵敏的测量介质，它们对外部场的光学响应使得电场、磁场等基本常数的精确测量实现成为可能。由于光学上偏振面的旋转常常作为可测量的输出，因此利用激光与原子作用机制可实现磁场的精密测量。然而这种传感器的测量精度会受到量子偏振噪声(光子散粒噪声)的限制，因此，偏振压缩光的使用可以在一定程度上解决这一问题。

原子气室内的高压惰性缓冲气体，虽减缓原子向气室内壁扩散的速度，但同时可能由于缓冲气体的引入，在一定温度下，导致原子气室内部产生额外的压力展宽和碰撞频移。而另一种方式则是在气室内壁涂上一些抗弛豫材料，如石蜡、烯烃或十八基三氯硅烷等等，这样可以保证原子在与气壁碰撞数百万次而不改变其自旋态。这样的原子气室在频率校准、量子信息传输、量子计算及磁场测量领域有着重要的应用。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置和方法，以实现霍尔磁强计的精确校准。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，包括：探测光源，所述探测光源输出的第一探测光经第一半波片、第一起偏器及透镜后，沿X方向入射至原子气室，然后经第二半波片，第一渥拉斯顿棱镜后被第一平衡探测器探测；

所述原子气室设置在磁屏蔽筒内，所述磁屏蔽筒内设置有用于提供沿Y方向磁场的第一亥姆霍兹线圈；

所述第一平衡探测器的输出端分别连接第一快速傅里叶变换动态信号分析仪；所述第一快速傅里叶变换动态信号分析仪用于对探测信号进行分析，得到对应的拉莫尔进动频率。

所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，还包括Flipper镜，所述探测光源输出的光经Flipper镜的开启断开分别产生第一探测光和第二探测光两束，第二探测光经第三半波片、第二起偏器、第二透镜、第一直角棱镜后沿Y方向入射至原子气室，然后经第二直角棱镜反射出磁屏蔽筒，再经反射镜反射进入差分探测***，即经第四半波片，第二渥拉斯顿棱镜后被第一平衡探测器探测；

所述磁屏蔽筒内还设置有用于提供沿X方向磁场的第二亥姆霍兹线圈；

第一平衡探测器的输出端连接第一快速傅里叶变换动态信号分析仪；所述第一快速傅里叶变换动态信号分析仪用于对探测信号进行分析，得到对应的拉莫尔进动频率。

所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，还包括第一电流源和第二电流源，所述第一电流源和第二电流源分别用于驱动所述第二亥姆霍兹线圈和第一亥姆霍兹线圈；所述第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈的磁场调节范围为3 nT~1 mT。

所述探测光源用于输出相干态光场或偏振压缩光。

所述探测光源包括激光器、第一偏振分束器、模式清洁腔、倍频腔、垃圾堆、光学参量振荡器和合束器，所述激光器发出的激光失谐锁定在相对于原子气室内原子的D线的中心频率上，其经第一偏振分束器后分为两束，一束经模式清洁腔进行过滤后作为本地振荡光，另一束经倍频腔倍频后产生的倍频光用于泵浦光学参量振荡器，经所述光学参量振荡器输出压缩真空态光场，所述本地振荡光和压缩真空态光场经合束器合束后形成偏振压缩光，垃圾堆设置光学参量振荡器和合束器之间，用于通过关闭和开启来实现相干态光场与偏振压缩态光场的转换。

所述原子气室的内壁镀有石蜡膜，所述原子气室上设置有用于均匀加热的无磁加热片，加热温度小于50℃。

此外，本发明还提供了一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校方法，采用所述的装置实现，包括以下步骤：

S1、使第一探测光沿X方向穿过原子气室，通过第一平衡探测器探测未施加磁场时的信号；

S2、对第一亥姆霍兹线圈通入不同的电流，施加沿X方向的不同磁场，通过第一平衡探测器探测各个电流下的信号；

S3、将步骤S2与步骤S1得到的信号相减，得到自旋噪声信号；并根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场，根据磁场与电流的关系，得到第一标定因子n₁；

S4、将待标定的霍尔磁强计的探头设置在与原子气室相同位置，对第一亥姆霍兹线圈产生的磁场进行测量，并记录相应的电流值；根据测量的磁场与电流的关系，得到第一系数因子m₁；

S5、通过第一标定因子n₁和第一系数因子m₁对霍尔磁强计的测量值进行校准；

校准公式为：

M=M₁*k₁；

其中M为校准后的磁场值，M₁为霍尔磁强计的测量值，k₁=n₁/m₁。

所述步骤S3中，根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场的具体方法为：

根据自旋噪声信号确定拉莫尔进动频率；

根据拉莫尔进动频率和旋磁比计算磁场强度。

所述原子气室内的原子为铷原子；

所述步骤S3中，根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场的具体方法为：

根据自旋噪声信号确定铷85原子与铷87原子对应的拉莫尔进动频率；

根据对应的拉莫尔进动频率和旋磁比分别计算85原子与铷87原子的磁场强度；

将85原子与铷87原子的磁场强度取平均值，作为最终磁场强度。

此外，本发明还提供了另一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校方法，采用所述的装置实现，包括以下步骤：

S1、使第一探测光和第二探测光两束光同时穿过原子气室，通过第一平衡探测器和第二平衡探测器探测未施加磁场时的信号；

S2、对第一亥姆霍兹线圈（17）和第二亥姆霍兹线圈（31）分别通入不同的电流，施加沿X方向的不同磁场和施加沿Y方向的不同磁场，通过第一平衡探测器（34）和第二平衡探测器（25）探测各个电流下的信号；

S3、将两个探测器在步骤S2与步骤S1中得到的信号分别对应相减，分别得到沿X方向和沿Y方向的多个自旋噪声信号；并根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场，根据磁场与电流的关系，得到第一标定因子n₁和第二标定因子n₂；

S4、将待标定的霍尔磁强计的两个探头在原子气室相同位置，分别对第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈产生的磁场进行测量，并记录相应的电流值；根据测量的磁场与电流的关系，得到第一系数因子m₁和第二系数因子m₂；

S5、通过第一标定因子n₁和第一系数因子m₁，以及第二标定因子n₂，和第二系数因子m₂对霍尔磁强计的两个探头的测量值分别进行校准；

校准公式为：

M’₁=M₁*k₁，M’₂=M₂*k₂；

其中M’₁和M’₂分别为校准后的磁场值，M₁ 和M₂分别为霍尔磁强计的两个探头的测量值， k₁=n₁/m₁，k₂=n₂/m₂。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置和方法，通过铷85原子与铷87原子的自旋噪声谱中的拉莫尔进动频率值及各自基态对应的旋磁比值，可计算得到相应的横向外磁场的大小，对霍尔磁强计的弱磁场测量值进行标定和校准，两同位素原子均可标定磁场值，同时二者可以相互校准并给定一个精确的磁场平均值，这样可以避免只由一个同位素原子测量磁场带来的误差。

2、本发明通过改变施加在横向外磁场的电流，可以通过不同自旋噪声谱给定不同电流下的标定磁场，由此可以给定标定磁场与相应电流的比例因子。

3、本发明中，原子气室内壁镀有石蜡，它可以有效地保护原子自旋状态在与气室内壁碰撞之后不被破坏，因此相应的原子自旋噪声信号及线宽都会被优化，即可以得到高信噪比、窄线宽的自旋噪声谱，这有利于拉莫尔进动频率的精确定位，即有利于外部横向磁场准确值的标定。

4、本发明中，通过两路探测激光，第一路沿磁屏蔽筒的轴向进行传播，第二路沿着离轴方向穿过磁屏蔽筒，经两个特殊的直角棱镜以垂直的方向（相对于第一束探测激光）穿过原子系综中并穿出磁屏蔽筒，同时搭建两套彼此独立的探测***，可分别测量两个相互垂直方向的直流磁场。进而通过原子自旋噪声谱标定的磁场值对霍尔磁强计两种探头（轴向探头与径向探头）的磁场测量准确度和误差同时进行评估和校准。

5、对于自旋噪声谱信号信噪比与线宽的优化可以通过经典的方法，例如通过增大光强、原子数密度可以实现自旋噪声信噪比的增大，然而其线宽也会被相应展宽，因此不利于其拉莫尔进动频率的准确测量。偏振压缩态光场的引入可以解决这一问题，在相同探测功率和原子数密度下，偏振压缩压光可以降低背景噪声而保持自旋噪声信号大小不变，实现自旋噪声信噪比的增大，同时保持线宽不变。这样有利于拉莫尔进动频率的精确定位，进一步提高磁场的准确测量。

6、本发明基于光学参量震荡的方式制备得到斯托克斯算符Ŝ2的偏振压缩光，具体制备过程为795nm红外激光分出一路光作为基频光倍频产生397.5 nm紫外泵浦光，该泵浦光泵浦光学参量振荡器产生压缩真空态光场；795nm 分出另一路光经过模式清洁腔后输出本地振荡光场，将压缩真空态光场与本地振荡光场在偏振分束器上合成，形成具有一定功率输出的偏振压缩光；通过Flipper装置的开启与断开，可使得偏振压缩光依次作为两路探测激光进行两垂直方向上的自旋噪声测量。

综上所述，本发明提供了一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置和方法，可以利用偏振压缩光替代偏振相干态光场进行测量，进行拉莫尔进动频率的精确定位，实现磁场的准确测量，因此，本发明可以实现利用两种探测光场进行标定的优势，其结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置的结构装置示意图；

图2为对X方向的磁场下的自旋噪声光谱结果进行洛伦兹拟合的示意图，左峰和右峰分别对应铷85原子和铷87原子的自旋噪声信号。两同位素原子标定的磁场值分别为B₁’、B₁’’,相应的各自拟合误差为各自的磁场标定统计误差；取二者中心值的平均值及较大误差范围为该电流下自旋噪声谱标定的磁场值B₁；

图3为相干态光场下测量得到不同X方向下的磁场下的铷原子自旋噪声谱的示意图；通过不同磁场下的自旋噪声谱，依次标定所施加的横向磁场 B₁、B₂、B₃、B₄.....的值；

图4为在不同横向磁场下，利用偏振相干态光场测量的自旋噪声谱计算得到的两组线圈产生的磁场大小与施加电流的关系；

图5为使用霍尔磁强计两探头（轴向探头与径向探头）测得的磁场与电流的关系；

图6为相同实验条件下相干态光场与偏振压缩光测量的结果对比，其中两条曲线分别分别表示偏振相干态光场与偏振压缩态光场（斯托克斯算符Ŝ2的压缩水平为-2.7dB）对铷85原子及铷87原子的自旋噪声测量结果。

图中，1为激光器，2为第二偏振分束器，3为波长计，4为第一偏振分束器，5为第一反射镜，6为倍频腔，7为光学参量振荡器，8为垃圾堆，9为模式清洁腔，10为第二反射镜，11为合束器，12为Flipper镜，13为第三半波片、14为第二起偏器、15为第二透镜，16为第一直角棱镜，17为第一亥姆霍兹线圈，18为原子气室，19为加热装置，20为第二直角棱镜，21为第三反射镜，22为第四反射镜，23为第四半波片，24为第二渥拉斯顿棱镜，25为第二平衡探测器，26为第二快速傅里叶变换动态信号分析仪，27为第五反射镜，28为第一半波片，29为第一起偏器，30为第一透镜，31为第二亥姆霍兹线圈，32为第二半波片，33为第一渥拉斯顿棱镜，34为第一平衡探测器，35为第一快速傅里叶变换动态信号分析仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，包括：探测光源，所述探测光源输出的光经Flipper镜12后变成第一探测光和第二探测光两束，其中第一探测光经第一半波片28、第一起偏器29及第一透镜30后，沿X方向入射至原子气室18，然后经第二半波片32，第一渥拉斯顿棱镜33后被第一平衡探测器34探测；第二探测光经第三半波片13、第二起偏器14、第二透镜15、第一直角棱镜16后沿Y方向入射至原子气室18，然后经第二直角棱镜20、第三反射镜21，第四反射镜22、第四半波片23，第二渥拉斯顿棱镜24后被第二平衡探测器25探测；所述原子气室18设置在磁屏蔽筒36内，所述磁屏蔽筒36内设置有用于分别提供沿X方向磁场的第一亥姆霍兹线圈17和沿Y方向磁场的第二亥姆霍兹线圈31；所述第一平衡探测器34和第二平衡探测器25的输出端分别连接第一快速傅里叶变换动态信号分析仪35和第二快速傅里叶变换动态信号分析仪26；所述第一快速傅里叶变换动态信号分析仪35和第二快速傅里叶变换动态信号分析仪26用于对探测信号进行分析，得到对应的拉莫尔进动频率。本实施例中，X方向与Y方向如图1所示，其中，X方向为平行于原子气室18轴向的方向，Y方向为垂直于原子气室18轴向的方向，第一探测光探测Y方向磁场（轴向磁场），第二探测光探测X方向磁场（横向磁场）。

其中，Flipper镜12断开时，第一探测光经Flipper镜12透射后，经第五反射镜27后沿磁屏蔽筒36轴向中心穿过原子气室18，第一探测光在穿过原子气室18前经过半波片28、高消光比的起偏器29及一定焦距的第一透镜30，以保证探测激光具有很高的偏振度和小尺寸的光斑，本实施例中，入射到原子气室18的激光的偏振度为16000：1，光斑直径为38 µm。与第一探测光对应的横向磁场由第一亥姆霍兹线圈17提供。第一探测激光沿磁屏蔽筒36另一端轴向中心穿出，经过第一差分探测***进行自旋噪声谱的探测，差分探测***依次包括第二半波片32，第一渥拉斯顿棱镜33，第一平衡探测器34，最后输出的信号输入至第一快速傅里叶变换动态信号分析仪35进行分析。

其中，Flipper镜12开启时，第二探测光经Flipper镜12反射后经第三半波片13选择其偏振态，再经高消光比的第二起偏器14，此时探测激光具有较高的偏振度，经过透镜15从磁屏蔽筒36的离轴通光孔穿入，经过第一直角棱镜16 以90°角反射穿入铷原子气室18，再经过第二直角棱镜20以90°角反射从另一离轴通光孔出射，此时该探测光对应的横向磁场由同向亥姆霍兹线圈31提供，出射的探测光经第三反射镜21，第四反射镜22送到第二差分探测***中，第二差分探测***包括第四半波片23，第二渥拉斯顿棱镜24，第二平衡探测器25。探测到的电信号最后输入至第二快速傅里叶变换动态信号分析仪26，进行自旋噪声谱的探测，第一差分探测***和第二差分探测***可独立进行探测。

进一步地，如图1所示，本实施例的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，还包括第一电流源37和第二电流源38，所述第一电流源37和第二电流源38分别用于驱动所述第一亥姆霍兹线圈31和第二亥姆霍兹线圈17，其输出电流大小量程范围在±100 mA，其编程解析度为100 nA，输出精度为读数的0.02%，这样可以保证横向磁场的稳定输出。所述第一亥姆霍兹线圈17和第二亥姆霍兹线圈31的磁场调节范围为3 nT~1 mT，产生的磁场均匀性>99.95%。

具体地，本实施例中，所述探测光源用于输出相干态光场或偏振压缩光。如图1所示，所述探测光源包括激光器1、第一偏振分束器4、第一反射镜5，模式清洁腔9、倍频腔6、光学参量振荡器7和合束器11，所述激光器1发出的激光失谐锁定在相对于原子气室18内原子的D₁线的中心频率上，其经第一偏振分束器4后分为两束，一束经模式清洁腔9进行过滤后作为本地振荡光，然后经第二反射镜10后入射至合束器11，另一束经倍频腔6倍频后产生的倍频光用于泵浦光学参量振荡器7，经所述光学参量振荡器7输出压缩真空态光场，所述本地振荡光和压缩真空态光场经合束器11合束后形成偏振压缩光。本实施例中，基于光学参量振荡的方式，可以实现斯托克斯参量算符Ŝ₂的795 nm偏振压缩光制备。此外，激光器1发出的激光还经第二偏振分束器2分出一部分入射到波长计3以监控激光频率和波长。典型的压缩水平在2 MHz分析频率处可达到~-3 dB的压缩，这代表偏振压缩光探测下的自旋噪声谱背景噪声相比经典光场可以降低3 dB。

具体地，本实施例中，所述光学参量振荡器7和合束器11之间还设置有垃圾堆8，通过垃圾堆8的关闭与开启，可以实现相干态光场与压缩真空态光场的转换。

具体地，本实施例中，所述Flipper镜12也可以用普通分束镜代替，则当探测光源为相干态光场时，可以同时输出第一探测光和第二探测光，对X方向和Y方向的磁场进行同时探测与校准。

具体地，本实施例中，激光器1的波长为795nm，原子气室18内原子为铷原子，激光器1的激光频率调谐锁定至相对于铷85原子D1线5²S_1/2(F=2)-5²P_1/2(F=2)的中心频率红失谐约-1.3 GHz。这样既保证了所有原子自旋的无扰动探测，也可以增大两同位素原子自旋噪声信号的探测。

具体地，本实施例中，磁屏蔽筒的开口设计方式为沿轴向中心（入射端口与出射端口）方向开孔，孔直径大小均为20 mm。一束探测激光沿轴向中心穿过原子气室，作为自旋噪声信号的第一路探测光路。此外，在激光入射端口离轴两侧相同水平高度设计两个通光端口，孔直径均为20 mm，另一束相同的探测激光从其中一个孔进入磁屏蔽筒，经过特殊设计的直角棱镜（16、20）可使得第二探测光沿径向（垂直于轴向）水平穿过原子气室中心，再经第二个直角棱镜反射穿出另外一个离轴出光端口，该光路作为第二路探测光路。两路探测***测得的铷原子自旋噪声谱可用来标定垂直于两路探测光传播方向上的横向磁场。磁屏蔽筒入射光一端设计为开放式端口，用于线圈与原子气室的植入。在轴向中心及离轴对称位置进行开孔设计（孔直径为20 mm），用于两路探测激光的传播。另一端进行封闭设计，只保留轴向的一个出光孔；这样可以最大程度地保证磁屏蔽筒的磁屏蔽性能，可以使得原子气室所处位置的中心剩余磁场接近零。

具体地，本实施例中，将两个直角棱镜两对亥姆霍兹线圈、原子气室18、无磁加热片都放置在磁屏蔽筒的中心位置，磁屏蔽筒的设计可以保证筒中心的剩磁近似为零。

此外，本实施例中，基于光学参量振荡的方式，可制备得到斯托克斯算符Ŝ₂的偏振压缩光。相同条件下，该量子光源代替偏振相干态探测光场可实现自旋噪声信号信噪比的增强测量，有利于拉莫尔进动频率的更精准定位，能够更加准确地测量横向磁场的值。

本实施例中，外加的横向直流磁场定义了***的量子化轴方向，在横向直流磁场作用下，不管原子处于基态的哪个塞曼态，其量子化的值相应的自旋磁矩都会以相同的拉莫尔角频率绕横向直流磁场做自旋进动。进动频率由横向直流磁场大小决定。

线偏振探激光可被看作是左旋圆偏振和右旋圆偏振光的叠加合成，由于原子介质的折射率不同导致两圆偏振分量的传播速度不同，因此穿过原子气室后，两圆偏振分量出现一定的相位差，即穿过原子气室后的透射光相当于入射光的偏振面状态发生了一定角度的旋转。通过偏振面旋转角度的变化可以反应自旋噪声信号的大小，对自旋噪声谱中铷85与铷87原子的自旋噪声信号进行分析得到各自相应的拉莫尔进动频率⁸⁵ω、⁸⁷ω，拉莫尔进动频率ω与磁场强度B存在以下关系：

B=ω/γ；（1）

其中γ表示原子的旋磁比，而两同位素原子各自的旋磁比⁸⁵γ、⁸⁷γ可以直接计算得到，其计算方法为本领域的常规方法。因此，根据两同位素原子各自的旋磁比⁸⁵γ、⁸⁷γ，利用公式（1），可以分别得到铷85与铷87原子各自所对应的横向磁场值，二者可以相互校准。此外，本发明中，第一探测光束和第二探测光束可同时进行探测，对两个垂直方向的磁场可同时进行测量标定。

本实施例中，第二探测光须经过两个直角棱镜，直角棱镜由材料K9玻璃制成，两直角边尺寸大小均为20mm，光洁度为60/40，面形小于λ/4，两直角面增透，R＜0.25@795nm，综合角＜30秒，保护性倒角，这样可以保证探测激光的偏振度不被轻易破坏。

本实施例中，第一亥姆霍兹线圈17和第二亥姆霍兹线圈31用同向亥姆霍兹绕制，两对线圈在原子气室中心位置所产生的磁场均匀性尽可能的好，这样可以避免大的磁场梯度导致自旋噪声谱线宽被额外展宽，从而影响磁场的标定。

具体地，本实施例中，第一平衡探测器34和第二平衡探测器25具有增益、带宽可调的特性；第一快速傅里叶变换动态信号分析仪35和第二快速傅里叶变换动态信号分析仪26需要具有高速采集和快速处理数据的能力，并且具有同样大的带宽。

具体地，本实施例中，所校准的霍尔磁强计其测磁范围为3.5 uT~35 T，而自旋噪声谱的测量在高分析频率处拥有更好的信噪比，因此更有利于较大磁场的测量和评估，有利于霍尔磁强计的评估和校准。

具体地，本实施例中，原子气室18形状为方形泡，大小为20 mm×20 mm×20 mm，且内壁镀有石蜡膜，它可以保证原子在与原子气室壁碰撞上千次至上万次后其原有自旋的一致性，得到的自旋噪声谱其线宽可低至kHz量级，有利于拉莫尔进动频率的精确定位，从而可以准确地得到所施加的横向磁场的大小。

进一步地，本实施例中，所述原子气室18上设置有用于均匀加热的无磁加热片，加热温度小于50℃。为充分加热原子气室，本实施例中的无磁加热片其大小同样为20 mm×20mm，串联四片对原子气室的四个面进行加热，可实现原子气室的均匀加热。由于两路探测激光以垂直的方向穿过同一个铷原子原子气室，因此在四个面的无磁加热片中心须挖掉一个直径为8 mm的圆，且依然保证加热片通电流时的无磁性，这样就可以使得两路探测激光可以顺利通过。因此，本实施例中，给原子气室加热时，无额外磁场的产生。

如图2~3所示，为实施例中得到的自旋噪声光谱结果进行洛伦兹拟合的示意图，左峰和右峰分别对应铷85原子和铷87原子的自旋噪声信号，图3为相干态光场下测量得到不同磁场下的铷原子自旋噪声谱的示意图。从图中可以看出，铷原子自旋噪声谱的峰值频率与磁场的大小相关，因此，本实施例提供的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，可以通过原子自旋噪声谱的峰值频率进行磁场的标定与校准，其可以对沿X方向和沿Y方向的磁场同时校准，即可以实现轴向探头和径向探头两磁感应探头的同时校准。

本实施例中，利用第一探测光束和第二探测光束产生的自旋噪声谱标定的数据表1~3所示。

表1 相干态光场下分别利用铷85原子与铷87原子自旋噪声谱标定的轴向磁场值

表2 相干态光场下分别利用铷85原子与铷87原子自旋噪声谱标定的横向磁场值

表3压缩水平为-2.7 dB的偏振压缩光得到的原子自旋噪声谱所标定的横向磁场值

图4为在不同横向磁场下，利用偏振相干态光场测量的自旋噪声谱计算得到的两组线圈产生的磁场大小与施加电流的关系曲线。图5为使用霍尔磁强计两探头（轴向探头与径向探头）测得的磁场与电流的关系曲线。图6为相同实验条件下偏振相干态光场与偏振压缩态光场测量的得到的自旋噪声谱，其中两条曲线分别对应偏振相干态光场与偏振压缩态光场（斯托克斯算符Ŝ₂的压缩水平为-2.7 dB）对铷85原子及铷87原子的自旋噪声测量结果。图6中可以看出，偏振压缩态光场得到的原子自旋噪声谱的信噪比更高。偏振压缩光作为一种特殊的量子光源，其特点为在庞加莱球模型结构上某一斯托克斯参量算符的噪声低于相同光子数下经典光场的相应的斯托克斯噪声起伏。因此压缩光的使用可以用来突破经典光场散粒噪声的限制，实现信号的增强测量，得到高信噪比的原子自旋噪声谱。

实施例二

本发明实施例二提供了一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，其包括：探测光源，所述探测光源输出的第一探测光经第一半波片28、第一起偏器29及第一透镜30后，沿X方向入射至原子气室18，然后经第二半波片32，第一渥拉斯顿棱镜33后被第一平衡探测器34探测； 所述原子气室18设置在磁屏蔽筒36内，所述磁屏蔽筒36内设置有用于提供沿Y方向磁场的第一亥姆霍兹线圈17；所述第一平衡探测器34的输出端分别连接第一快速傅里叶变换动态信号分析仪35；所述第一快速傅里叶变换动态信号分析仪35用于对探测信号进行分析，得到对应的拉莫尔进动频率。

也就是说，本实施例与实施例一不同的是，本实施例仅包括一路探测光，可以实现霍尔磁强计的校准。

实施例三

本发明实施例三提供了一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校方法，采用实施例二所述的装置实现，包括以下步骤：

S1、使第一探测光穿过原子气室18，通过第一平衡探测器34探测未施加磁场时的信号。

S2、对第一亥姆霍兹线圈17通入不同的电流，施加沿X方向的不同磁场，通过第一平衡探测器34探测各个电流下的信号；其中，至少提供5组不同的电流。

S3、将步骤S2与步骤S1得到的信号相减，得到自旋噪声信号；并根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场，根据计算得到的磁场与对应的电流值，进行线性拟合，将拟合系数作为第一标定因子n₁。

S4、将待标定的霍尔磁强计的探头设置在与原子气室18相同位置，对第一亥姆霍兹线圈17产生的磁场进行测量，并记录相应的电流值；根据磁场与对应的电流值，进行线性拟合，根据测量的得到磁场值与对应的电流值，进行线性拟合，将拟合系数作为第一系数因子m₁。

S4、通过第一标定因子n₁和第一系数因子m₁对霍尔磁强计的测量值进行校准。

具体地，所述步骤S4中，对霍尔磁强计的测量值进行校准的方法具体为：计算比例因子k₁，其中，k₁=n₁/m₁，通过比例因子对霍尔磁强计测量的值进行校准，假设使用霍尔磁强计测量的值为M₁，则校准后的真实的磁场值为：M=M₁*k₁。

具体地，本实施例的步骤S3中，根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场的具体方法为：

根据自旋噪声信号确定拉莫尔进动频率；

根据拉莫尔进动频率和旋磁比计算磁场强度。

进一步地，本实施例中，所述原子气室18内的原子为铷原子；

所述步骤S3中，根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场的具体方法为：首先根据自旋噪声信号确定铷85原子与铷87原子对应的拉莫尔进动频率⁸⁵ω、⁸⁷ω；然后根据对应的拉莫尔进动频率⁸⁵ω、⁸⁷ω和旋磁比⁸⁵γ、⁸⁷γ分别计算85原子与铷87原子的磁场强度；计算公式为：拉莫尔进动频率=横向磁场强×旋磁比；最后，将85原子与铷87原子的磁场强度取平均值，作为最终磁场强度。

本实施例中，通过观测到的铷85原子与铷87原子的拉莫尔进动频率值及各自基态对应的旋磁比值，可计算得到相应的横向外磁场的大小。两同位素原子均可标定磁场值，同时二者可以相互校准并给定一个精确的磁场平均值，这样可以避免只由一个同位素原子测量磁场带来的误差。

实施例四

本发明实施例四提供了一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，采用实施例一所述的装置实现，包括以下步骤：

S1、使第一探测光和第二探测光两束光同时穿过原子气室18，通过第一平衡探测器34和第二平衡探测器25探测未施加磁场时的信号；

S2、对第一亥姆霍兹线圈（17）和第二亥姆霍兹线圈（31）分别通入不同的电流，施加沿X方向的不同磁场和施加沿Y方向的不同磁场，通过第一平衡探测器（34）和第二平衡探测器（25）探测各个电流下的信号；

S3、将两个探测器在步骤S2与步骤S1中得到的信号分别对应相减，分别得到沿X方向和沿Y方向的多个自旋噪声信号；并根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场，根据磁场与电流的关系，得到第一标定因子n₁和第二标定因子n₂；

S4、将待标定的霍尔磁强计的两个探头在原子气室18相同位置，分别对第一亥姆霍兹线圈17和第二亥姆霍兹线圈31产生的磁场进行测量，并记录相应的电流值；根据测量的磁场值与对应的电流值进行线性拟合，将拟合系数分别作为第一系数因子m₁和第二系数因子m₂；

S5、通过第一标定因子n₁和第一系数因子m₁，以及第二标定因子n₂和第二系数因子m₂对霍尔磁强计的两个探头的测量值分别进行校准。

具体地，本实施例中，步骤S3中根据自旋噪声信号计算磁场的计算方式与实施例三相同，此外，步骤S5中，霍尔磁强计的两个探头的测量值的校准方式也与实施例一相同，不同的是，本实施例中，可以直接实现霍尔磁强计的两个垂直探头的校准。

具体地，所述步骤S5中，对霍尔磁强计的测量值进行校准的方法具体为：计算比例因子k₁和k₂，其中，k₁=n₁/m₁，k₂=n₂/m₂，通过比例因子对霍尔磁强计测量的值进行校准，假设使用霍尔磁强计测量的值为M₁和M₂，则校准后的真实的磁场值为：M’₁=M₁*k₁，M’₂=M₂*k₂。

进一步地，本实施例中，所述原子气室18内的原子为铷原子；

所述步骤S3中，根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场的具体方法为：

根据自旋噪声信号确定铷85原子与铷87原子对应的拉莫尔进动频率；

根据对应的拉莫尔进动频率和旋磁比分别计算85原子与铷87原子的磁场强度；

将85原子与铷87原子的磁场强度取平均值，作为最终磁场强度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，其特征在于，包括：探测光源，所述探测光源输出的第一探测光经第一半波片（28）、第一起偏器（29）及第一透镜（30）后，沿X方向入射至原子气室（18），然后经第二半波片（32），第一渥拉斯顿棱镜（33）后被第一平衡探测器（34）探测；

所述原子气室（18）设置在磁屏蔽筒（36）内，所述磁屏蔽筒（36）内设置有用于提供沿Y方向磁场的第一亥姆霍兹线圈（17）；

所述第一平衡探测器（34）的输出端分别连接第一快速傅里叶变换动态信号分析仪（35）；所述第一快速傅里叶变换动态信号分析仪（35）用于对探测信号进行分析，得到对应的拉莫尔进动频率。

2.根据权利要求1所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，其特征在于，还包括Flipper镜（12），所述探测光源输出的光经Flipper镜（12）的开启断开分别产生第一探测光和第二探测光两束，第二探测光经第三半波片（13）、第二起偏器（14）、第二透镜（15）、第一直角棱镜（16）后沿Y方向入射至原子气室（18），然后经第二直角棱镜（20）反射出磁屏蔽筒，再经第三反射镜（21）反射进入差分探测***，即经第四半波片（23），第二渥拉斯顿棱镜（24）后被第二平衡探测器（25）探测；

所述磁屏蔽筒（36）内还设置有用于提供沿X方向磁场的第二亥姆霍兹线圈（31）；

第二平衡探测器（25）的输出端连接第二快速傅里叶变换动态信号分析仪（26）；所述第二快速傅里叶变换动态信号分析仪（26）用于对探测信号进行分析，得到对应的拉莫尔进动频率。

3.根据权利要求2所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，其特征在于，还包括第一电流源（37）和第二电流源（38），所述第一电流源（37）和第二电流源（38）分别用于驱动所述第二亥姆霍兹线圈（31）和第一亥姆霍兹线圈（17）；所述第一亥姆霍兹线圈（17）和第二亥姆霍兹线圈（31）的磁场调节范围为3 nT~1 mT。

4.根据权利要求1所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，其特征在于，所述探测光源用于输出相干态光场或偏振压缩光。

5.根据权利要求1所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，其特征在于，所述探测光源包括激光器（1）、第一偏振分束器（4）、模式清洁腔（9）、倍频腔（6）、垃圾堆（8）、光学参量振荡器（7）和合束器（11），所述激光器（1）发出的激光失谐锁定在相对于原子气室（18）内原子的D₁线的中心频率上，其经第一偏振分束器（4）后分为两束，一束经第一反射镜（5）反射至模式清洁腔（9）进行过滤后作为本地振荡光，另一束经倍频腔6倍频后产生的倍频光用于泵浦光学参量振荡器（7），经所述光学参量振荡器（7）输出压缩真空态光场，所述本地振荡光经第二反射镜（10）反射后和压缩真空态光场经合束器（11）合束后形成偏振压缩光，垃圾堆（8）设置光学参量振荡器（7）和合束器（11）之间，用于通过关闭和开启来实现相干态光场与偏振压缩态光场的转换。

6.根据权利要求1所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校装置，其特征在于，所述原子气室（18）的内壁镀有石蜡膜，所述原子气室（18）上设置有用于均匀加热的无磁加热片，加热温度小于50℃。

7.一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置实现，包括以下步骤：

S1、使第一探测光沿X方向穿过原子气室（18），通过第一平衡探测器（34）探测未施加磁场时的信号；

S2、对第一亥姆霍兹线圈（17）通入不同的电流，施加沿X方向的不同磁场，通过第一平衡探测器（34）探测各个电流下的信号；

S3、将步骤S2与步骤S1得到的信号相减，得到自旋噪声信号；并根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场，根据磁场与电流的关系，得到第一标定因子n₁；

S4、将待标定的霍尔磁强计的探头设置在与原子气室（18）相同位置，对第一亥姆霍兹线圈（17）产生的磁场进行测量，并记录相应的电流值；根据测量的磁场与电流的关系，得到第一系数因子m₁；

S5、通过第一标定因子n₁和第一系数因子m₁对霍尔磁强计的测量值进行校准；

校准公式为：

M=M₁*k₁；

其中M为校准后的磁场值，M₁为霍尔磁强计的测量值，k₁=n₁/m₁。

8.根据权利要求7所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场的具体方法为：

根据自旋噪声信号确定拉莫尔进动频率；

根据拉莫尔进动频率和旋磁比计算磁场强度。

9.根据权利要求7所述的一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校方法，其特征在于，所述原子气室（18）内的原子为铷原子；

所述步骤S3中，根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场的具体方法为：

根据自旋噪声信号确定铷85原子与铷87原子对应的拉莫尔进动频率；

根据对应的拉莫尔进动频率和旋磁比分别计算铷85原子与铷87原子的磁场强度；

将85原子与铷87原子的磁场强度取平均值，作为最终磁场强度。

10.一种基于自旋噪声谱的霍尔磁强计测弱场的标校方法，其特征在于，采用权利要求2所述的装置实现，包括以下步骤：

S1、使第一探测光和第二探测光两束光同时穿过原子气室（18），通过第一平衡探测器（34）和第二平衡探测器（25）探测未施加磁场时的信号；

S2、对第一亥姆霍兹线圈（17）和第二亥姆霍兹线圈（31）分别通入不同的电流，施加沿X方向的不同磁场和施加沿Y方向的不同磁场，通过第一平衡探测器（34）和第二平衡探测器（25）探测各个电流下的信号；

S3、将两个探测器在步骤S2与步骤S1中得到的信号分别对应相减，分别得到沿X方向和沿Y方向的多个自旋噪声信号；并根据自旋噪声信号计算得到对应的磁场，根据磁场与电流的关系，得到第一标定因子n₁和第二标定因子n₂；

S4、将待标定的霍尔磁强计的两个探头设置在原子气室（18）相同位置，分别对第一亥姆霍兹线圈（17）和第二亥姆霍兹线圈（31）产生的磁场进行测量，并记录相应的电流值；根据测量的磁场与电流的关系，得到第一系数因子m₁和第二系数因子m₂；

S5、通过第一标定因子n₁和第一系数因子m₁，以及第二标定因子n₂和第二系数因子m₂对霍尔磁强计的两个探头的测量值分别进行校准；

校准公式为：

M’₁=M₁*k₁，M’₂=M₂*k₂；

其中M’₁和M’₂分别为霍尔磁强计的两个探头的校准后的磁场值，M₁ 和M₂分别为霍尔磁强计的两个探头的测量值， k₁=n₁/m₁，k₂=n₂/m₂。

Images