[发明专利]一种基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法

权利要求书

1.一种基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法，其特征在于：在原子磁强计上施加强背景磁场和覆盖磁共振频率的横向扫频信号，实现电子自旋共振，通过相频分析获得原子磁强计的原子自旋横向弛豫时间；该方法具体步骤如下：

步骤1)、碱金属气室(6)通过无磁电加热装置(7)加热至170℃至200℃之间，开启抽运激光器(1)，扩束器(2)使抽运光覆盖整个碱金属气室(6)，经起偏器(3)获得线偏振光，线偏振光经四分之一波片(4)得到沿z方向传播的圆偏振抽运光，将波长调至钾原子的D1线770.108nm，根据设定温度调节抽运光光强，在可以观察到磁共振幅频响应曲线有洛伦茨线型的趋势的前提下，尽可能减弱抽运光光强，从而保证原子自旋低极化率，参考实验结果，170℃下调节抽运光光强为0.11mW，180℃下调节抽运光光强为0.11mW，190℃下调节抽运光光强为0.2mW，200℃下调节抽运光光强为0.7mW，可以在低极化率下得到清晰的信号，开启检测激光器(10)，经起偏器(11)获得沿x方向传播的线偏振检测光，将波长调谐至钾原子的D2线766.7nm，再失谐0.5nm，即检测光波长为766.2nm，调节二分之一波片(12)，使得在未抽运时偏振分光棱镜(13)的透射光和反射光光强相等，即平衡探测器(14)输出信号为零；

步骤2)、通过磁线圈(5)补偿磁屏蔽桶(9)内剩磁，然后在z方向施加足够强的背景磁场，这时过补偿或欠补偿剩磁就可作为小量被忽略，参考实验结果设背景磁场为2000nT；

步骤3)、将平衡探测器(14)连接至锁相放大器(15)的信号输入端口，将y方向磁线圈(5)连接至锁相放大器(15)的调频信号输出端，在y方向施加一个带宽覆盖共振曲线的调频信号，通过逐点扫频的方式得到磁共振曲线，扫频的频率分辨率越高，拟合得到的线宽也就越精确，采用的线性调频磁场幅值可设为9.62nT，通过锁相放大器(15)对输入的信号进行解调和采集；

步骤4)、对输出信号进行频谱分析，将测得的自旋横向分量转换到极坐标系下可以得到相频响应函数，将其拟合到原子磁强计响应的相频理论曲线得到原子自旋横向弛豫时间。

2.根据权利要求1所述的基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法，其特征在于：在足以忽略磁屏蔽桶内剩磁的强背景磁场下，在横向方向施加一个带宽覆盖共振曲线、幅值使磁共振曲线在低极化率下有清晰曲线的扫频信号，通过检测原子磁强计的光旋角信号，将输出信号在极坐标系下进行频谱分析，可以得到原子磁强计的相频响应函数，将其拟合到原子磁强计响应的相频理论曲线得到原子自旋横向弛豫时间，同时获得磁共振频率。

3.根据权利要求1所述的基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法，其特征在于：同时适用于在高极化率和低极化率下测量原子磁强计的原子自旋横向弛豫时间，该方法解决了低极化率下幅度谱因为没有清晰的线型无法准确测量出原子磁强计的原子自旋横向弛豫时间的问题。

4.根据权利要求1所述的基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法，其特征在于：将原子磁强计输出的磁共振曲线在极坐标系下进行频谱分析，提取出原子磁强计的相频响应函数。

5.根据权利要求1或3所述的基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法，其特征在于：推导出适用于拟合原子磁强计在强背景磁场和大幅值横向扫频信号下的磁共振响应的相频理论公式，该信号幅值是幅度谱分析法所用横向扫频信号的10倍。

6.根据权利要求1所述的基于电子共振相频分析测量原子横向弛豫时间的方法，其特征在于：该方法使用的设备包括了原子磁强计和锁相放大器共两部分，其中，原子磁强计中间部分包括碱金属气室及其外层的无磁电加热装置、小真空腔、磁线圈和磁屏蔽桶，无磁电加热装置用于给碱金属气室加热，小真空腔用于减弱热对流和热传导，磁屏蔽桶用于隔离环境磁场的干扰，磁线圈用于在xyz三个垂直方向产生磁场；原子磁强计抽运光路在z方向，包括抽运激光器、扩束器、起偏器和四分之一波片，作用是产生圆偏振光极化碱金属原子；原子磁强计检测光路在x方向，包括检测激光器、起偏器、二分之一波片、偏振分光棱镜、反射镜和平衡探测器，作用是检测背景磁场下原子自旋进动产生的线偏振检测光偏振面的光旋角，抽运光与检测光正交于碱金属气室的中心位置，锁相放大器一方面通过横向磁线圈给原子自旋施加横向调频信号，另一方面以该输出信号为参考，对平衡探测器检测到的信号进行解调和采集。