【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于原子磁強計，具體涉及一種雙共振相干布居囚禁磁強計及實現方法。
技術介紹
1、相干布居囚禁磁強計(cpt磁強計)具有探測靈敏度高的特點，在磁性目標探測、空間物理、地質勘探等軍民領域有著重要應用。cpt磁強計是一種利用激光為光源，通過激光與原子相互作用，探測原子在磁場中的塞曼效應，從而實現對外磁場測量的儀器設備。cpt磁強計具有無死區、低功耗、小體積、高靈敏度、全光學無輻射等特點。
2、在外磁場下，原子發生塞曼效應，使得超精細能級退簡并而發生分裂，能級間的裂距隨外界磁場的變化而變化。以87rb原子為例，52s1/2基態在外磁場下發生塞曼分裂，根據breit-rabi公式，fg＝1和fg＝2基態能級間的能量差為其中式中為約化普朗克常量，ω0,0為基態磁量子數為零的兩個能級間的躍遷角頻率，m1、m2分別表示基態能級的磁量子數，表示基態能級間的躍遷角頻率，γ為旋磁比，b為外磁場強度。在弱磁場下，87rb基態能級發生分裂后形成的多個cpt譜線也會隨磁場發生線性移動，因此只要測量相應cpt譜線峰值處的微波頻率差就可以反推得到磁場強度的大小。
3、現有的cpt磁強計一般采用圓偏振雙色激光與原子相互作用，cpt信號質量相對較差，影響了磁強計的靈敏度。影響現有方案所獲cpt信號質量的主要原因包括：采用調制vcsel激光器獲得的多色光中只有兩個邊帶的激光成分攜帶cpt信號，其它邊帶激光成分只貢獻噪聲，使本底光信號幅度遠大于cpt信號幅度；vcsel輸出光的線寬較寬，約為50mhz，而使得cpt信號伴隨很強fm-a
4、除此之外，現有的cpt磁強計采用的單束激光與原子相互作用，獲取的cpt信號如圖2中的下圖所示，該方案存在兩個問題，一是ω0,0對應的中間的cpt譜線無法消除，在弱磁場下該共振峰限制了其探測下限；二是單一的圓偏振激光在掃描微波時只能往微波增加或者減小單一方向掃描，從而只能得到一個磁敏感cpt共振峰，最左側的cpt共振峰或者最右側的cpt共振峰，不能同時獲取到兩個磁敏感cpt共振峰的信息。
技術實現思路
1、本專利技術提出一種雙共振相干布居囚禁磁強計及實現方法，可以有效抑制激光的光學噪聲，提升靈敏度，增加量程的下限范圍。
2、本專利技術通過以下技術方案實現。
3、一種雙共振相干布居囚禁磁強計，包括：第一微波源1，第二微波源2，第一電流源3，第二電流源4，第一bias-t?5，第二bias-t?6，第一vcsel激光器7，第二vcsel激光器8，第一準直透鏡9，第二準直透10，第一pbs11，λ/2波片12，87rb原子氣室13，第二pbs14，第一光電二極管15，第二光電二極管16，差分放大器17，雙路鎖相放大器18；其中，
4、所述第一vcsel激光器7、第二vcsel激光器8、第一準直透鏡9、第二準直透鏡10、第一pbs11、λ/2波片12位于87rb原子氣室13的左側，其中第一vcsel激光器7、第一準直透鏡9位于第一pbs11左側，第二vcsel激光器8第二準直透鏡10位于第一pbs11的下方，且第二vcsel激光器8輸出的激光經過第一pbs11的反射后往右側原子氣室方向傳播。
5、所述第二pbs14、第一光電二極管15和第二光電二極管16放置在87rb原子氣室13右側，其中第一光電二極管15位于第二pbs14右側，第二光電二極管16位于第二pbs14下方，且第二pbs14的反射激光輸入到第一光電二極管15；所述第一光電二極管15、第二光電二極管16的信號傳輸到差分放大電路17中，差分放大電路17連接雙路鎖相放大器18，將微弱信號相減并放大后輸入給雙路鎖相放大器18，雙路鎖相放大器18同時與第一微波源1和第二微波源2連接，雙路鎖相放大器18通過解調得到微波控制信號，用于第一微波源1和第二微波源2輸出微波頻率的控制，完成磁強計的鎖定和磁場測量。
6、一種雙共振相干布居囚禁磁強計的實現方法，包括如下步驟：
7、步驟一、采用恒溫控制模塊對87rb原子氣室13、第一vcsel激光器7和第二vcsel激光器8進行恒溫控制，使87rb原子氣室13、第一vcsel激光器7和第二vcsel激光器8工作在各自的工作溫度；
8、步驟二、第一微波源1輸出微波頻率fhfs1+fdevsin(2πfmod)，第二微波源2輸出微波頻率fhfs2+fdevcos(2πfmod)，通過第一bias-t?5將第一電流源3和第一微波源1耦合，并注入到第一vcsel激光器7，調節第一微波源1的輸出功率，使第一vcsel激光器1輸出的多色激光的±1級邊帶能量最強；通過第二bias-t?6將第一電流源4和第二微波源2耦合，并注入到第二vcsel激光器8，調節第二微波源2的輸出功率，使第二vcsel激光器8輸出的多色激光的±1級邊帶能量最強；
9、步驟三、掃描第一電流源3的輸出電流，將第一vcsel激光器7的頻率鎖定在87rb原子d1線多色光吸收譜上；掃描第二電流源4的輸出電流，將第二vcsel激光器8的頻率鎖定在87rb原子d1線多色光吸收譜上；如圖3所示。
10、步驟四、掃描第一微波源1輸出的中心微波頻率fhfs1，并將調制參考信號asin(2πfmod)輸入到雙路鎖相放大器18的通道1(ch1)的參考通道，通過差分放大電路17將第二pbs14的輸出信號放大之后輸入至雙路鎖相放大器18的通道1(ch1)的信號通道，由鎖相放大器獲取對應cpt共振信號，當獲取到cpt共振信號之后，通過pid控制第一微波源1輸出的中心微波頻率fhfs1，完成對cpt共振點的鎖定及跟蹤；同時，掃描第二微波源2輸出的中心微波頻率fhfs2，并將調制參考信號acos(2πfmod)輸入到雙路鎖相放大器18的通道2(ch2)的參考通道，通過差分放大電路17將第二pbs14的輸出信號放大之后輸入至雙路鎖相放大器18的通道2(ch2)的信號通道，由鎖相放大器獲取對應cpt共振信號，當獲取到cpt共振信號之后，通過pid控制第二微波源2輸出的中心微波頻率fhfs2，完成對cpt共振點的鎖定及跟蹤；
11、步驟五、按以下公式計算磁場值：b＝(fhfs1-fhfs2)/γ，其中γ為頻率和磁場之間的比值，約為28hz/nt。
12、本專利技術的有益效果：
13、1、本專利技術采用線偏振激光與原子相互作用，通過差分探測獲取線偏振光發生cpt共振時的旋光信號，可以有效抑制激光光強am噪聲和激光頻率fm-am噪聲，提高信噪比，提升磁強計的靈敏度；
14、2、本專利技術通過線偏振激光的磁光旋轉效應獲取的cpt信號，如圖2上圖所示，由于在ω0,0時線偏振激光獲取的多個cpt共振干涉相消，導致在弱磁場下，ω0,0時的cpt共振峰基本被消除，從而提升了cpt磁強計的探測下限；
15、3、本專利技術采用兩束線偏振激光與原子相互作用，其中一束激本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，包括：第一微波源1，第二微波源2，第一電流源3，第二電流源4，第一Bias-T?5，第二Bias-T?6，第一VCSEL激光器7，第二VCSEL激光器8，第一準直透鏡9，第二準直透,10，第一PBS11，λ/2波片12，87Rb原子氣室13，第二PBS14，第一光電二極管15，第二光電二極管16，差分放大器17，雙路鎖相放大器18；其中，
2.如權利要求1所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述第二PBS14、第一光電二極管15和第二光電二極管16放置在87Rb原子氣室13右側，其中第一光電二極管15位于第二PBS14右側，第二光電二極管16位于第二PBS14下方，且第二PBS14的反射激光輸入到第一光電二極管15；所述第一光電二極管15、第二光電二極管16的信號傳輸到差分放大電路17中，差分放大電路17連接雙路鎖相放大器18，將微弱信號相減并放大后輸入給雙路鎖相放大器18，雙路鎖相放大器18同時與第一微波源1和第二微波源2連接，雙路鎖相放大器18通過解調得到微波控制信號，用于第一微波源1和第二微波源2輸出微波
3.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述第一Bias-T?5將第一微波源1輸出的微波和第一電流源3電流耦合，驅動第一VCSEL激光器7輸出多色激光，通過第二Bias-T?6將第二微波源2輸出的微波和第二電流源4電流耦合，驅動第二VCSEL激光器8輸出多色激光，調整第一微波源1和第二微波源2的輸出功率，使第一VCSEL激光器7和第二VCSEL激光器8輸出的多色激光±1級邊帶能量最大。
4.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述第一VCSEL激光器7和第二VCSEL激光器8輸出的激光為線偏振激光，調整第一VCSEL激光器7輸出的線偏振激光的偏振方向，使其直接透射通過第一PBS11，調整第二VCSEL激光器8輸出的線偏振激光的偏振方向，使其反射通過第一PBS11，且保證兩束激光經過87Rb原子氣室13時不重合。
5.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述87Rb原子為工作原子，通過掃描第一電流源3和第二電流源4的電流，將第一VCSEL激光器7和第二VCSEL激光器8輸出的激光頻率鎖定在以87Rb原子D1線激發態Fe＝1的能級上；如圖3吸收譜線中虛線框出的譜線上；兩束激光經過87Rb原子氣室13后，由第二PBS14將兩束線偏振激光在其兩個偏振檢測方向上的分量分離開，并由第一光電二極管15和第二光電二極管16分別檢測兩個偏振方向上的光強信號。
6.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述λ/2波片12用于調整兩束線偏振激光的偏振方向，旋轉λ/2波片12，使第二PBS14兩個偏振方向的輸出激光光強相等，即第一光電二極管15和第二光電二極管16檢測的光信號經過差分放大電路17之后得到的差分電壓為0。
7.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述第一微波源1和第一微波源2的輸出微波頻率從mF＝0基態兩能級的躍遷頻率開始，分別向線性增加和線性減小兩個相反的方向掃描fhfs1和fhfs2，用于分別獲取到各自的CPT共振信號。
8.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述第一微波源1輸出的微波頻率為fhfs1，采用頻率調制對其輸出的微波頻率進行調制，調制深度為fdev，調制頻率為fmod，則輸出的微波信號為fhfs1+fdevsin(2πfmod)；第二微波源1輸出的微波頻率為fhfs2，采用頻率調制對其輸出的微波頻率進行調制，調制深度為fdev，調制頻率為fmod，第二微波源2的調制相位與第一微波源1的調制相位相差π/2的情況下，輸出的微波信號為fhfs2+fdevcos(2πfmod)。
9.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，采用恒溫控制模塊來進行恒溫控制，所述恒溫控制模塊包括溫度傳感器、PID控制單元以及加熱器件；通過溫度傳感器對87Rb原子氣室13、第一VCSEL激光器7和第二VCSEL激光器8的溫度進行采集，再通過PID控制單元控制交流加熱信號的幅值，分別實現87Rb原子氣室13、第一VCSEL激光器7和第二VCSEL激光器8的恒溫控制。
10.一種雙共振相干布居囚禁磁強計的實現方法，其特征在于，包括如下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，包括：第一微波源1，第二微波源2，第一電流源3，第二電流源4，第一bias-t?5，第二bias-t?6，第一vcsel激光器7，第二vcsel激光器8，第一準直透鏡9，第二準直透,10，第一pbs11，λ/2波片12，87rb原子氣室13，第二pbs14，第一光電二極管15，第二光電二極管16，差分放大器17，雙路鎖相放大器18；其中，
2.如權利要求1所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述第二pbs14、第一光電二極管15和第二光電二極管16放置在87rb原子氣室13右側，其中第一光電二極管15位于第二pbs14右側，第二光電二極管16位于第二pbs14下方，且第二pbs14的反射激光輸入到第一光電二極管15；所述第一光電二極管15、第二光電二極管16的信號傳輸到差分放大電路17中，差分放大電路17連接雙路鎖相放大器18，將微弱信號相減并放大后輸入給雙路鎖相放大器18，雙路鎖相放大器18同時與第一微波源1和第二微波源2連接，雙路鎖相放大器18通過解調得到微波控制信號，用于第一微波源1和第二微波源2輸出微波頻率的控制，完成磁強計的鎖定和磁場測量。
3.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述第一bias-t?5將第一微波源1輸出的微波和第一電流源3電流耦合，驅動第一vcsel激光器7輸出多色激光，通過第二bias-t?6將第二微波源2輸出的微波和第二電流源4電流耦合，驅動第二vcsel激光器8輸出多色激光，調整第一微波源1和第二微波源2的輸出功率，使第一vcsel激光器7和第二vcsel激光器8輸出的多色激光±1級邊帶能量最大。
4.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述第一vcsel激光器7和第二vcsel激光器8輸出的激光為線偏振激光，調整第一vcsel激光器7輸出的線偏振激光的偏振方向，使其直接透射通過第一pbs11，調整第二vcsel激光器8輸出的線偏振激光的偏振方向，使其反射通過第一pbs11，且保證兩束激光經過87rb原子氣室13時不重合。
5.如權利要求1或2所述的一種雙共振相干布居囚禁磁強計，其特征在于，所述87rb原子為工作原...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張樊，陳帥，張宇，李享，裴華剛，李勝男，
申請(專利權)人：宜昌測試技術研究所，
類型：發明
國別省市：
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