[发明专利]一种基于SERF原子自旋效应的三维梯度磁场测量装置

权利要求书

1.一种基于SERF原子自旋效应的三维梯度磁场测量装置，其特征在于：包括抽运激光器(1)、光纤分束器(2)、第一光纤准直器(3)、第二光纤准直器(4)、第一1/2波片(5)、第二1/2波片(6)、第一偏振分光棱镜(7)、第二偏振分光棱镜(8)、第一反射镜(9)、第一1/4波片(10)、第二1/4波片(11)、左旋圆偏振抽运光(12)、右旋圆偏振抽运光(13)、检测激光器(14)、第一凸透镜(15)、第二凸透镜(16)、第二反射镜(17)、第一格兰泰勒棱镜(18)、检测光(19)、第三1/4波片(20)、光弹调制器(21)、第二格兰泰勒棱镜(22)、阵列探测器(23)、三轴位移台(24)、锁相放大器(25)、计算机(26)、磁屏蔽桶(27)、三轴匀场线圈与梯度线圈(28)、无磁电加热装置(29)、碱金属气室(30)；抽运激光器(1)光纤输出激光经过光纤分束器(2)，第一光纤准直器(3)和第二光纤准直器(4)分成两束准直的激光，然后两束激光分别通过第一1/2波片(5)、第一偏振分光棱镜(7)、第一反射镜(9)、第一1/4波片(10)后变成右旋圆偏振抽运光(13)以及通过第二1/2波片(6)、第二偏振分光棱镜(8)、第一反射镜(9)、第二1/4波片(11)后变成左旋圆偏振抽运光(12)，左旋圆偏振抽运光(12)和右旋圆偏振抽运光(13)透过碱金属气室(30)；磁屏蔽桶(27)用于屏蔽外界环境磁场，无磁电加热装置(29)用于加热碱金属气室(30)内的碱金属原子，以实现SERF态条件，两束光矢量方向相反的左旋圆偏振抽运光(12)和右旋圆偏振抽运光(13)抽运碱金属原子，检测光(19)用于检测原子自旋进动信号；检测光(19)通过碱金属气室(30)后，经过第三1/4波片(20)和光弹调制器(21)以及第二格兰泰勒棱镜(22)进入阵列探测器(23)中，阵列探测器(23)放置在三轴位移台(24)上，其中，当存在外界磁场时，检测光(19)经过碱金属气室(30)后，偏振面会发生偏转，偏转角度称为光旋角；阵列探测器(23)将光旋角信号转换为电信号，后经锁相放大器(25)解调，显示在计算机(26)上；当检测光(19)传播方向上存在磁场梯度时，查看阵列探测器(23)的其中一个通道，该通道的电信号大小与磁场梯度成正比；此外，阵列探测器(23)不同通道的信号差值反映与检测光(19)垂直维度上的磁场梯度；

所述的阵列探测器(23)由2×2四个光电探测器S1，S2，S3，S4构成；

所述的三轴位移台(24)行程大于10mm，x，y，z三轴位移由千分尺精确调节；

所述的磁屏蔽桶(27)采用高导磁材料坡莫合金，采用圆柱形，5层结构；

所述的碱金属气室(30)中的原子为碱金属原子，为钾、铷、铯其中的一种；气体有淬灭气体氮气和缓冲气体氦气；

抽运激光器(1)发出的激光波长在碱金属原子的D1线的中心，检测激光器(14)所发出的激光波长在碱金属原子的D2线附近远失谐；

左旋圆偏振抽运光(12)和右旋圆偏振抽运光(13)沿着检测光(19)的传播方向放置；

通过旋转第一1/2波片(5)和第二1/2波片(6)使左旋圆偏振抽运光(12)和右旋圆偏振抽运光(13)光功率相等；

通过旋转第二1/4波片(11)调节左旋圆偏振抽运光(12)，旋转第一1/4波片(10)调节右旋圆偏振抽运光(13)，两束抽运光光矢量方向相反；

进行梯度测量前，利用三轴匀场线圈与梯度线圈(28)将剩余环境磁场与梯度磁场归零，此时阵列探测器(23)的S1，S2，S3，S4四个通道电信号均为零；

有磁场梯度时光旋角变化，若在磁场测量装置的y方向有一磁场B_y，则检测光的光旋角大小为：

其中r_e为经典原子半径，c为光速，R_op为光抽运率，R_rel为弛豫率，s为光抽运矢量，f_D2为D2线的振荡强度，V_pr为检测光光频率，V_D2为D2线的中心频率，Γ_D2为碱金属D2线的压力展宽值；

阵列探测器(23)的输出信号与光旋角成正比，从上式知，s为光抽运矢量，左旋圆偏振抽运光(12)s＝﹣1，右旋圆偏振抽运光(13)s＝+1，用两束光矢量方向相反的抽运光去极化原子，两束抽运光位置的原子的极化方向相反，若x方向上梯度为零，检测光通过气室C点的光旋角为零，计算机(26)显示的提取信号为0，若存在梯度则C点的光旋角不为零，计算机(26)显示的提取信号不为0，该信号直接反应磁场的梯度。