[发明专利]一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法

说明书

本发明涉及一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法。采用光致解吸附原理加速极化原子从抗退极化膜逃逸，缩短极化原子被吸附的时间。同时，降低吸附在抗退极化膜表面的原子种类和数目的不均匀性，减小抗退极化膜上的电场梯度。通过上述两种物理机理，降低极化原子核自旋弛豫的概率，延长极化原子的自旋弛豫时间。本发明可延长原子池内原子的自旋弛豫时间，尤其可提高具有核电四极矩的极化原子的自旋弛豫时间，对于提高原子磁力仪和原子自旋陀螺的性能有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的方法，尤其是延长具有核电四极矩的极化气体原子自旋弛豫时间的方法，属于原子光学领域。

背景技术

核磁共振技术不仅在物理、化学、材料科学等科研研究方面有着广泛应用，在工程技术领域里也得到了重要应用，原子磁力仪和原子自旋陀螺就是其中的典型应用。在这两类原子器件中，原子池是它们的核心元件。一般地，原子池内包含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体，通过光抽运碱金属间接极化惰性气体原子，惰性气体原子在磁场下作拉摩尔进动，在不同的载体转动角速度或环境磁场下，探测光提取到的惰性气体拉摩尔进动频率产生频移，进而得到载体转动角速度或环境磁场强度。原子池的性能是影响这些器件性能的主要因素。极化气体自旋弛豫时间是衡量原子池性能的重要指标。

影响惰性气体原子的自旋弛豫时间的因素很多，其中最为重要的是原子与原子池薄膜内壁的碰撞引起的弛豫机制。已有一些技术用来延长极化惰性气体原子自旋弛豫时间，并在不断地发展。其中一种是在原子池中充适量的缓冲气体，如氮气，来减小惰性气体原子与原子池内壁碰撞次数。另外一种是在原子池内壁镀抗退极化膜，如石蜡、铷氢膜、OTS等，抗退极化膜避免了原子与气室壁的直接作用，使得原子与涂层表面多次碰撞仍然保持极化，从而减小每次碰撞引起原子自旋弛豫的概率。这两种方法都可以延长极化气体自旋弛豫时间。

然而这两种方法都存在不足之处。前一种方法中惰性气体原子与缓冲气体原子碰撞将导致原子核共振谱线展宽变大，而原子核共振谱线展宽则影响原子磁力仪和原子自旋陀螺的精度。后一种方法中，由于原子池内壁抗退极化膜对于气态碱金属原子、惰性气体和其它原子均有吸附作用，有部分自由热运动状态的原子将被吸附在抗退极化膜表面，这将导致原子池内壁表面附近的原子种类和密度不均匀，增大了电场梯度。具有核电四极矩的原子，如¹³¹Xe与电场梯度的相互作用会导致原子核自旋的衰减，使得原子自旋弛豫时间变短。因此抗退极化膜对延长具有核电四极矩的极化原子的自旋弛豫时间是无效的。

美国加州大学伯克利分校、NIST、俄罗斯圣彼得堡大学等研究机构研究了原子池内壁抗退极化膜的光致解吸附现象。研究表明，通过激光辐照可以降低抗退极化膜对原子的吸附能，加速原子从抗退极化膜附近逃逸，缩短原子在抗退极化膜上被吸附的时间。

现有的充缓冲气体方案，若充缓冲气体过多，会使惰性气体原子与缓冲气体原子碰撞剧烈，进而导致原子核共振谱线展宽变大；现有的抗退极化膜方案对具有核电四极矩的原子无效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述不足，特提出一种延长极化气体自旋弛豫时间的方法和装置，可延长原子池内原子的自旋弛豫时间，更为重要的是可提高具有核电四极矩的极化气体原子的自旋弛豫时间。

本发明所采用的技术方案是：一种基于光致解吸附原理的延长原子池内极化气体自旋弛豫时间的装置，包括：激光器7、小角度抖动反射镜8、光束整形系统9、原子池10、反射镜11，其中，小角度抖动反射镜8位于激光器7与光束整形系统9之间，光束整形系统9位于原子池10前方；反射镜11位于原子池背面。激光器出射光束经小角度抖动反射镜反射，再经光束整形系统扩束后覆盖整个原子池，出射光经反射镜反射再次照射原子池。

所述小角度抖动反射镜在一定角度范围（如-5^o～5^o）内均匀旋转,使得激光束具有更大的辐照角度范围。