[发明专利]一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置

说明书

本发明涉及一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置。常规的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置仅采用一束圆偏振抽运激光对碱金属原子进行极化，由于碱金属原子密度大，导致抽运激光在经过碱金属气室过程中光强大幅衰减，引起原子极化率梯度大、平均极化率低等问题，制约了磁场测量装置信噪比的进一步提高。本发明设计的方法是，在常规的单抽运光束基础上增加一束反向抽运光，从而使正反两个方向的原子极化率梯度抵消，实现对原子更均匀的极化，从而解决常规方法存在的不足。

技术领域

本发明涉及一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫(Spin-Exchange-Relaxation-Free，SERF)原子自旋磁场测量装置，属于原子磁强计领域。

背景技术

在磁场测量领域，无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置已实现了亚fT级的测量灵敏度，成为世界上灵敏度最高的磁场测量仪器，它有望在基础科学研究、样品弱磁测试、人体的心磁和脑磁测量等诸多领域得到广泛应用。

目前常规的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置采用一束圆偏振激光对碱金属原子进行抽运，由于碱金属原子密度很大(约10¹³～10¹⁴个/cm³)，对于通常使用的厘米尺寸的气室而言，其光学深度将远大于1，这会导致抽运激光光强在经过碱金属气室过程中将大幅衰减，引起原子极化率梯度大、平均极化率低等问题，制约了磁场测量装置信噪比的进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有常规的基于单抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置存在的原子极化率梯度大、平均极化率低等问题，在常规的单抽运光束基础上增加一束反向抽运光，从而使正反两个方向的原子极化率梯度抵消，实现对原子更均匀的极化。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于双抽运光束的无自旋交换弛豫原子自旋磁场测量装置，包括抽运激光器、第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第一1/4波片、第一反射镜、正向抽运光束、第二反射镜、光纤耦合器、单模保偏光纤、光纤准直器、第三1/2波片、第三偏振分光棱镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第二1/4波片、第三反射镜、反向抽运光束、检测激光器、检测光束、第四反射镜、第一格兰泰勒棱镜、第三1/4波片、光弹调制器、第二格兰泰勒棱镜、光电探测器、锁相放大器、计算机、磁屏蔽桶、三轴磁补偿线圈、无磁电加热烤箱、碱金属气室；在磁屏蔽桶的内部，由外及内依次是：三轴磁补偿线圈、无磁电加热烤箱、碱金属气室，磁屏蔽桶用于为碱金属气室提供原子自旋无自旋交换状态所需的弱磁场环境，三轴磁补偿线圈用于补偿屏蔽桶内原子感受到的剩余磁场，无磁电加热烤箱用于给碱金属气室加热；抽运激光器发射出线偏振激光光束，该光束依次经过第一1/2波片和第一偏振分光棱镜，之后分为相互垂直的两束光，其中与原传输方向垂直的一路光束经过第二反射镜后进入光纤耦合器，与原传输方向相同的一路光束之后通过第二1/2波片、第二偏振分光棱镜，之后通过第一凸透镜和第二凸透镜实现扩束，之后通过第一1/4波片转换为圆偏振激光，之后通过第一发射镜，成为正向抽运光束，照射碱金属气室，用于极化碱金属气室中的碱金属原子；进入光纤耦合器的激光通过单模保偏光纤进入光纤准直器，之后该激光转换为空间光，之后通过第三1/2波片、第三偏振分光棱镜，之后通过第三凸透镜和第四凸透镜实现扩束，之后通过第二1/4波片转换为圆偏振激光，之后通过第三反射镜，成为反向抽运光束，照射碱金属气室，用于极化碱金属气室中的碱金属原子；检测激光器发射出线偏振检测激光光束，该光束依次经过第四反射镜、第一格兰泰勒棱镜、碱金属气室、第三1/4波片、光弹调制器、第二格兰泰勒棱镜，之后进入光电探测器转换为电信号；锁相放大器参考端连接光弹调制器，信号输入端连接光电探测器，从而解调出原子自旋进动信号；锁相放大器与计算机相连，计算机用于显示并存储锁相放大器提取的信号。

其中，所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种。

其中，所述碱金属气室中的原子需工作于无自旋交换弛豫状态。