[发明专利]一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布原位测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布的原位测量系统及方法，属于精密测量的技术领域，系统主要由激光器、激光稳定系统、激光扩束系统、分光棱镜、偏振元件、磁屏蔽系统、碱金属原子气室、光弹调制器、光电探测器、CMOS传感器、数据采集分析处理系统等组成，本发明理论依据合理，实验操作简单，对磁测量系统正常工作不会带来额外系统扰动，能实现准确测得碱金属原子气室工作状态的电子极化率分布，有利于基于极化率分布测量结果提高原子磁强计测量灵敏度，为超高灵敏极弱磁测量装置的研制提供了基础。

技术领域

本发明属于精密测量的技术领域，具体是一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布原位测量系统及方法。

背景技术

基于无自旋交换弛豫效应的碱金属原子磁强计因其超高的磁场测量灵敏度潜力而被广泛应用于基础物理研究，生物磁学测量等前沿领域。原子磁场计对极弱磁场测量的实现主要包含光抽运和原子自旋进动检测。光抽运即利用偏振激光从微观上改变碱金属原子核外电子在各个能级上的分布，从而实现原子自旋的宏观极化。自旋极化率则是表征原子被极化程度的物理量，是影响原子磁场测量装置的一个重要参量。原子自旋极化率的稳定性直接影响碱金属原子磁强计的标度因数的稳定性。测量系统中存在的温度梯度、碱金属原子密度梯度以及光场梯度的综合影响导致原子自旋极化率空间分布存在梯度差。目前限制碱金属原子磁强计磁场测量灵敏度持续提升而又亟待解决的最主要问题正是抑制原子自旋极化率梯度差。因此，实现对碱金属原子自旋极化率空间分布的准确测量对于提高自旋极化率稳定性均匀性进而提升磁场测量灵敏度具有重要意义。

目前，常用的测量碱金属原子自旋极化率的方法有电子顺磁共振法、抽运和衰减瞬变法、法拉第光旋信号法、减慢因子瞬态响应法等。但这些方法均存在一定的局限性，或者需要额外施加大强度磁场，或者只适用于低温状态，又或者存在瞬态信号的失真，均会影响磁测量装置的正常工作状态，无法实现对原子自旋极化率空间分布的原位测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术问题，提供一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间二维分布的原位测量系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间二维分布的原位测量系统，包括按检测光前进方向依次设置的检测光激光器、检测光激光稳定系统、起偏器、平面反射镜、光弹调制器、检测光四分之一波片、碱金属原子气室、检偏器、光电探测器；以及另一方向按抽运光前进方向依次设置的抽运光激光器、抽运光激光稳定系统、抽运光扩束系统、偏振分光棱镜、偏振片、抽运光四分之一波片、碱金属原子气室、第二CMOS传感器，所述偏振分光棱镜的另一束折射光进入第一CMOS传感器；所述碱金属原子气室外部从内到外依次包覆有无磁电加热装置、隔热保温材料腔、磁补偿线圈、磁屏蔽系统；所述光电探测器、第一CMOS传感器、第二CMOS传感器传输数据给数据采集分析处理系统。

作为优选，所述检测光激光器和抽运光激光器分别为工作在对应碱金属原子D1和D2线的波长可调谐半导体激光器，满足碱金属原子磁强计对抽运/检测激光的频率功率需求。

作为优选，所述检测光激光稳定系统和抽运光激光稳定系统均包括激光功率稳定、激光频率稳定、激光指向性稳定以及激光光斑形态分布稳定。

作为优选，所述的碱金属原子气室为尺寸25×25×25 mm的立方形硼硅玻璃泡，气室内充有碱金属原子、缓冲气体和淬灭气体。

作为优选，所述第一CMOS传感器和第二CMOS传感器的有效接收面积为25×25 mm，保证入射/透射光斑能完全被接收，分辨率为2048×2048，400万像素分辨率，单个像素尺寸12.5 μm，实现对光斑能量分布进行微米像素级超高分辨率的数据读取与存储。

作为优选，所述数据采集分析处理系统包括锁相放大器、数据采集系统以及计算机，用于对检测激光信号进行解调放大，实现对极弱磁场的测量；对抽运激光衰减信息信号进行读取拟合处理，结合极化率与抽运光强的函数关系实现对碱金属原子自旋极化率的空间分布精密测量。