[发明专利]一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪

说明书

本发明涉及一种基于碱金属原子超精细能级塞曼分裂的共磁力仪，它利用碱金属超精细能级的塞曼跃迁频率差异而在一个碱金属原子中实现两个独立的自旋振荡器，可同时获得角速度与磁场强度。采用能够与激光直接进行相互作用的碱金属原子，自旋的极化与检测可直接采用激光实现，结构简单，利用碱金属原子超精细能级之间的旋磁比的差异，可利用同一种碱金属原子实现共磁力仪，它可同时测量磁场与角速度。其优点：功耗低、体积小、测量范围大、启动时间快等。

技术领域

本发明涉及磁场强度、角速度甚至自旋与其它物理场相互作用的高灵敏度测量，属于量子精密传感领域。

背景技术

电子、原子核等微观粒子具有自旋角动量和磁矩，可看作一个旋转的小磁针。原子由电子和原子核构成，它的总角动量和磁矩由电子和原子核按照一定规则矢量相加而成。当施加磁场时，磁矩将会绕磁场发生拉莫尔进动。进动频率与磁场、角速度甚至自旋-其它物理场的相互作用有关，因此利用原子自旋可构成高灵敏度的磁力仪、陀螺仪或暗物质/第5力(等异常场)探测器等传感器。按相互作用量级，自旋与磁场相互作用最大，与转动场相互作用稍弱，而与暗物质/第5力等异常场的相互作用最弱，因此在测量转动场以及暗物质/第5力等异常场的应用领域，需要减弱磁场的干扰。利用两种或两种以上在空间上重叠的自旋系综构成共磁力仪是一种消除磁场干扰的常见方法，目前发展出的装置有：(1)碱金属-惰性气体核自旋共磁力仪，如K-³He共磁力仪；(2)两种及两种以上惰性气体核自旋共磁力仪，如³He-¹²⁹Xe共磁力仪；(3)两种及两种以上碱金属同位素共磁力仪，如⁸⁵Rb-⁸⁷Rb共磁力仪。

利用多种元素或同一种元素的多种同位素构成的共磁力仪，受到磁场梯度、温度梯度、重力场等系统误差的影响。与利用两种以上原子构成的空间重叠的共磁力仪不同，利用同一种原子构成的共磁力仪可大大消除磁场梯度、温度梯度、重力场等系统误差的影响。

发明内容

本发明提出一种基于碱金属超精细能级塞曼分裂的共磁力仪。碱金属具有超精细分裂，两个超精细能级的原子总磁矩不同。在磁场中，这两个超精细能级磁矩的进动频率与磁场强度、系统相对惯性空间的转动角速度以及可能的暗物质/第5力等假设物理场(不妨统称为异常场)有关。由于磁场对进动频率的影响最大，按习惯叫法，我们称这种通过测量碱金属超精细能级磁矩进动频率来测量磁场以及角速度等物理量的装置为共磁力仪，其中由各个超精细能级的磁矩构成一个磁力仪。下面我们以基态超精细能级为2个的碱金属原子铷87为例对本发明进行说明，对于其它种类的碱金属原子，所构成的共磁力仪原理类似。在外磁场中，铷87基态超精细能级上磁矩进动方向相反，通过对这两个磁力仪的信号进行处理，可实现角速度与磁场的高灵敏度测量，即利用一种碱金属实现陀螺仪与磁力仪，且两者之间是解耦的。在对其它物理场与自旋相互作用测量时，我们要扣掉磁场与角速度的影响，可采用反转磁场的方法扣除磁场的影响。进一步，利用多种碱金属或碱金属同位素，还可在一个气室内构成多个磁力仪和陀螺仪，通过信号处理技术进一步提高磁力仪、陀螺仪、异常场探测仪性能。