【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及量子精密磁場測量，特別涉及一種消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置及方法。
技術介紹
1、原子磁強計利用原子塞曼能級之間的能量差值與磁場大小的關系實現極弱磁測量，其中，serf(spin-exchange-relaxation-free，無自旋交換弛豫)原子磁強計通過使原子的自旋交換率遠大于原子的拉莫爾進動頻率實現了對原子自旋弛豫的抑制，靈敏度可達ft級，在生物磁探測、弱磁計量測試和基礎物理研究等領域中發揮著重要的作用。
2、橢偏光原子磁強計是一種單光束原子磁強計，其利用一束失諧的橢偏光照射氣室，橢偏光中的圓偏振成分用于抽運，線偏振成分用于檢測。其相比于圓偏振光單光束原子磁強計，由于可以采用偏振差分檢測技術，靈敏度更高。相比于雙光束結構具有結構緊湊、小型化的特點，更加適合于小型化應用。因此，橢偏光磁強計是一種兼顧靈敏度與體積優勢的單光束磁強計方案。然而，橢偏光serf磁強計采用失諧橢偏光與原子作用，會產生空間分布不均勻的虛擬磁場，制約其性能的進一步提升。
技術實現思路
1、本專利技術提供一種消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置及方法，將兩個窄線寬半導體激光器所產生的正失諧與負失諧的激光光束分別經過半導體光放大器調制，轉化為兩束失諧量關于堿金屬原子中心頻率對稱、相位差為π的脈沖調制光。通過2×1光纖合束器將正失諧和負失諧激光合為一束激光后接入磁強計表頭系統中。從而在表頭內經過光學偏振器件轉換成一束頻率隨時間周期性調制的橢圓偏振光束，能夠消除橢偏光serf磁強計的光頻
2、本專利技術的技術方案如下：
3、一種消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，包括依次連接的光學驅動系統、磁強計表頭系統和電路系統，其特征在于，所述光學驅動系統包括2*1光纖合束器，所述2*1光纖合束器的輸出端通過第五保偏光纖連接所述磁強計表頭系統，所述2*1光纖合束器的第一輸入端通過第二保偏光纖連接第一激光器驅動中第一半導體光放大器的輸出端，所述第一半導體光放大器的輸入端通過第一保偏光纖連接正失諧窄線寬半導體激光器，所述2*1光纖合束器的第二輸入端通過第四保偏光纖連接第二激光器驅動中第二半導體光放大器的輸出端，所述第二半導體光放大器的輸入端通過第三保偏光纖連接負失諧窄線寬半導體激光器，所述第一激光器驅動和所述第二激光器驅動分別連接fpga信號發生模塊。
4、所述fpga信號發生模塊產生驅動信號通過所述第一激光器驅動控制所述第一半導體光放大器的工作狀態以實現對正失諧光的調制，并通過所述第二激光器驅動控制所述第二半導體光放大器的工作狀態以實現對負失諧光的調制，調制后正失諧光和調制后負失諧光通過所述2*1光纖合束器形成正失諧和負失諧交替接續合束光。
5、所述2*1光纖合束器將兩束失諧量關于堿金屬原子中心頻率對稱、相位差為π的脈沖調制光合為一束，經過偏振器件轉換成調制橢圓偏振光對堿金屬原子進行抽運和檢測，使得在堿金屬原子相干周期內光頻移產生的虛擬磁場多次快速反轉得以消除，并且通過堿金屬原子與光的相互作用將橢偏光頻率的調制轉化為對旋光角的調制，最后利用偏振差分檢測和差頻解調技術從旋光角信號中提取出包含待測微弱磁場信息的輸出信號。
6、所述磁強計表頭系統包括堿金屬原子氣室，所述堿金屬原子氣室的激光輸入側依次通過四分之一波片、線偏振片和光纖準直器連接所述第五保偏光纖，所述堿金屬原子氣室的激光輸出側通過二分之一波片連接側向位移偏振分光棱鏡，所述側向位移偏振分光棱鏡的第一輸出側通過第一光電探測器連接所述電路系統中差分放大器的第一輸入端，所述側向位移偏振分光棱鏡的第二輸出側通過第二光電探測器連接所述差分放大器的第二輸入端，所述差分放大器的輸出端連接鎖相放大器，所述鎖相放大器提供磁強計輸出信號，所述堿金屬原子氣室位于無磁電加熱裝置中，所述無磁電加熱裝置位于三軸磁場線圈中，所述三軸磁場線圈連接所述電路系統中的函數信號發生器。
7、包括：
8、
9、其中pz-ω為施加x方向調制磁場時堿金屬原子極化率沿z方向投影的一次諧波信號，s0為初始狀態堿金屬原子自旋值，ψ0(k)和ψ1(k)分別為零階第一類貝塞爾函數和一階第一類貝塞爾函數，γ為抽運率與弛豫率之和，γelec為電子旋磁比，b0為x方向待測微弱磁場大小，f1為x方向施加的調制磁場頻率，t為時間。
10、包括：
11、
12、其中δχ為正負失諧調制橢偏光頻率與堿金屬d1線共振頻率的失諧量，δχ(t)為隨時間變化的δχ值，χ為正失諧橢圓偏振光頻率的失諧量，f2為調制橢圓偏振光頻率在正失諧和負失諧之間切換的頻率，n為正整數。
13、包括：
14、
15、其中θω為由pz-ω引起的旋光角信號，c為光速，r為經典電子半徑，f為堿金屬d1線的共振強度，n為原子數密度，d為氣室在抽運光方向的長度，pz-ω為施加x方向調制磁場時堿金屬原子極化率沿z方向投影的一次諧波信號，χ為正失諧橢圓偏振光頻率的失諧量，d為氣室壓力展寬值，f2為調制橢圓偏振光頻率在正失諧和負失諧之間切換的頻率。
16、包括：
17、
18、其中vω為解調原子進動信號和旋光角調制信號后的原子磁強計輸出信號，s0為初始極化率，e為自然常數，od為光學深度，c為光速，r為經典電子半徑，f為堿金屬d1線的共振強度，n為原子數密度，d為氣室在抽運光方向的長度，χ為正失諧橢圓偏振光頻率的失諧量，d為氣室壓力展寬值，ψ0(k)和ψ1(k)分別為零階第一類貝塞爾函數和一階第一類貝塞爾函數，γ為抽運率與弛豫率之和，γelec為電子旋磁比，b0為x方向待測微弱磁場大小，f1為x方向施加的調制磁場頻率，f2為調制橢圓偏振光頻率在正失諧和負失諧之間切換的頻率。
19、一種消除光頻移的橢偏光原子磁強計實現方法，其特征在于，包括采用上述消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，和以下步驟：
20、步驟1，調整正失諧窄線寬半導體激光器和負失諧窄線寬半導體激光器出射的激光分別正、負調諧于堿金屬原子d1線共振頻率，且調諧絕對值相同，均為χ，調整正失諧窄線寬半導體激光器和負失諧窄線寬半導體激光器的輸出功率相同，偏振方向均平行于所連接的保偏光纖慢軸；
21、步驟2，調整fpga信號發生模塊所控制的兩路信號輸出引腳分別產生兩路方波信號，且兩信號相位差π，信號頻率均為f2，占空比均為50％，信號幅值相同且均大于半導體光放大器的導通電壓；
22、步驟3，旋轉磁強計表頭系統內四分之一波片使其光軸與線偏振片的光軸方向夾角為α，使出射的激光變為橢偏度為α的橢圓偏振光，該橢偏光作為光源照射氣室，在常溫下將二分之一波片與四分之一波片的慢軸夾角調整為
23、步驟4，利用無本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，包括依次連接的光學驅動系統、磁強計表頭系統和電路系統，其特征在于，所述光學驅動系統包括2*1光纖合束器，所述2*1光纖合束器的輸出端通過第五保偏光纖連接所述磁強計表頭系統，所述2*1光纖合束器的第一輸入端通過第二保偏光纖連接第一激光器驅動中第一半導體光放大器的輸出端，所述第一半導體光放大器的輸入端通過第一保偏光纖連接正失諧窄線寬半導體激光器，所述2*1光纖合束器的第二輸入端通過第四保偏光纖連接第二激光器驅動中第二半導體光放大器的輸出端，所述第二半導體光放大器的輸入端通過第三保偏光纖連接負失諧窄線寬半導體激光器，所述第一激光器驅動和所述第二激光器驅動分別連接FPGA信號發生模塊。
2.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，所述FPGA信號發生模塊產生驅動信號通過所述第一激光器驅動控制所述第一半導體光放大器的工作狀態以實現對正失諧光的調制，并通過所述第二激光器驅動控制所述第二半導體光放大器的工作狀態以實現對負失諧光的調制，調制后正失諧光和調制后負失諧光通過所述2*1光纖合束器形成正失諧和負失諧交替接續合
3.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，所述2*1光纖合束器將兩束失諧量關于堿金屬原子中心頻率對稱、相位差為π的脈沖調制光合為一束，經過偏振器件轉換成調制橢圓偏振光對堿金屬原子進行抽運和檢測，使得在堿金屬原子相干周期內光頻移產生的虛擬磁場多次快速反轉得以消除，并且通過堿金屬原子與光的相互作用將橢偏光頻率的調制轉化為對旋光角的調制，最后利用偏振差分檢測和差頻解調技術從旋光角信號中提取出包含待測微弱磁場信息的輸出信號。
4.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，所述磁強計表頭系統包括堿金屬原子氣室，所述堿金屬原子氣室的激光輸入側依次通過四分之一波片、線偏振片和光纖準直器連接所述第五保偏光纖，所述堿金屬原子氣室的激光輸出側通過二分之一波片連接側向位移偏振分光棱鏡，所述側向位移偏振分光棱鏡的第一輸出側通過第一光電探測器連接所述電路系統中差分放大器的第一輸入端，所述側向位移偏振分光棱鏡的第二輸出側通過第二光電探測器連接所述差分放大器的第二輸入端，所述差分放大器的輸出端連接鎖相放大器，所述鎖相放大器提供磁強計輸出信號，所述堿金屬原子氣室位于無磁電加熱裝置中，所述無磁電加熱裝置位于三軸磁場線圈中，所述三軸磁場線圈連接所述電路系統中的函數信號發生器。
5.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，包括：
6.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，包括：
7.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，包括：
8.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，包括：
9.一種消除光頻移的橢偏光原子磁強計實現方法，其特征在于，包括采用上述權利要求1-8之一所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，和以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，包括依次連接的光學驅動系統、磁強計表頭系統和電路系統，其特征在于，所述光學驅動系統包括2*1光纖合束器，所述2*1光纖合束器的輸出端通過第五保偏光纖連接所述磁強計表頭系統，所述2*1光纖合束器的第一輸入端通過第二保偏光纖連接第一激光器驅動中第一半導體光放大器的輸出端，所述第一半導體光放大器的輸入端通過第一保偏光纖連接正失諧窄線寬半導體激光器，所述2*1光纖合束器的第二輸入端通過第四保偏光纖連接第二激光器驅動中第二半導體光放大器的輸出端，所述第二半導體光放大器的輸入端通過第三保偏光纖連接負失諧窄線寬半導體激光器，所述第一激光器驅動和所述第二激光器驅動分別連接fpga信號發生模塊。
2.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，所述fpga信號發生模塊產生驅動信號通過所述第一激光器驅動控制所述第一半導體光放大器的工作狀態以實現對正失諧光的調制，并通過所述第二激光器驅動控制所述第二半導體光放大器的工作狀態以實現對負失諧光的調制，調制后正失諧光和調制后負失諧光通過所述2*1光纖合束器形成正失諧和負失諧交替接續合束光。
3.根據權利要求1所述的消除光頻移的橢偏光原子磁強計裝置，其特征在于，所述2*1光纖合束器將兩束失諧量關于堿金屬原子中心頻率對稱、相位差為π的脈沖調制光合為一束，經過偏振器件轉換成調制橢圓偏振光對堿金屬原子進行抽運和檢測，使得在堿金屬原子相干周期內光頻移產生的虛擬磁場多次快速反轉得以消除，并且通過堿金屬原子與...
【專利技術屬性】
技術研發人員：房建成，閆一凡，周陳儀，吳岳松，丁曉舒，陸吉璽，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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