一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，该装置包括：泵浦光源、探测光源、第一分束器、第二分束器、四分之一波片、二分之一波片、原子气室、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器、偏振分析单元、第一亥姆霍兹线圈、第二亥姆霍兹线圈、磁屏蔽层和信号处理单元。本发明专利技术消除了多普勒展宽对泵浦和探测过程的影响，提高了原子传感器的精度和稳定性，增强了原子传感器对光学元器件振动噪声的抗扰能力，提高了原子传感器对杂散磁场的屏蔽效果。

Atomic sensor device based on ultra fine level frequency stabilization

The present invention provides a sensor device atomic hyperfine frequency stabilization based on the device comprises a pump light source, the detection light source, the first beam splitter, second beam splitter, four points, two points of the wave plate wave plate, atomic gas chamber, a first mirror, second mirror, photoelectric detector, polarization analysis unit, the first second Helmholtz Helmholtz coil, coil, magnetic shielding layer and a signal processing unit. The invention eliminates the influence of Doppler broadening on the process of the pump and probe, improve the atom sensor accuracy and stability, enhance the anti disturbance ability of atom sensor optical components of vibration and noise, improve the shielding effect of the stray field atom sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置
本专利技术涉及精密测量或惯性测量领域，具体而言，尤其涉及一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置。
技术介绍
原子传感器的基础是极化原子的自旋进动，自旋进动改变原子介质的吸收和色散性质，进而使得通过原子介质的线偏振光的偏振方向发生旋转，通过测量偏振方向的旋转即可得到极化原子的自旋进动频率，从而实现对决定自旋进动频率的物理量的传感，如对磁场和转动的精密测量。在传统的原子传感器设计中，极化原子介质的泵浦光和测量自旋进动频率的探测光均在单向透过原子介质后即被遮光物吸收或被光电探测器接收，且在光路内不集成用于稳定光源频率的原子光谱或超稳腔。这种设计存在以下问题：(1)由于缺少原子光谱或超稳腔，原子传感器无法解决光源频率的长时漂移问题，限制了其稳定性的提高；(2)由于原子介质存在速度分布，单向透射的泵浦光和探测光因多普勒展宽将同时覆盖原子介质的多个超精细能级跃迁，使得原子传感器对原子介质的泵浦和探测只能达到精细能级跃迁的精度，限制了其精度的提高。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，解决了多普勒展宽和光源频率稳定的问题，提高了原子传感器的精度和稳定性。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，该装置包括：泵浦光源、探测光源、第一分束器、第二分束器、四分之一波片、二分之一波片、原子气室、第一反射镜、第二反射镜、光电探测器、偏振分析单元、第一亥姆霍兹线圈、第二亥姆霍兹线圈、磁屏蔽层和信号处理单元；其中，泵浦光源的出射光、第一分束器的中心、四分之一波片的中心轴线、原子气室的中心、第一反射镜的中心轴线和第一亥姆霍兹线圈的中心轴线位于同一第一光轴，光电探测器位于第一分束器的一侧，沿第一光轴依次设置泵浦光源、第一分束器、四分之一波片、原子气室和第一反射镜，第一亥姆霍兹线圈的中心轴线的中点与原子气室的中心相重合，信号处理单元分别与光电探测器和泵浦光源相连接；探测光源的出射光、二分之一波片的中心轴线、第二分束器的中心、原子气室的中心、第二反射镜的中心轴线和第二亥姆霍兹线圈的中心轴线位于同一第二光轴，偏振分析单元位于第二分束器的一侧，沿第二光轴依次设置探测光源、二分之一波片、第二分束器、原子气室和第二反射镜，第二亥姆霍兹线圈的中心轴线的中点与原子气室的中心相重合，信号处理单元分别与偏振分析单元和探测光源相连接；磁屏蔽层包设于原子气室、第一反射镜、第二反射镜第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，磁屏蔽层开设有第一通光孔和第二通光孔；泵浦光源的出射光通过第一分束器和四分之一波片变为圆偏振泵浦光，圆偏振泵浦光经第一通光孔通过原子气室后被第一反射镜沿原光路反射，入射圆偏振泵浦光与反射圆偏振泵浦光在原子气室内形成圆偏振驻波泵浦光场，第一亥姆霍兹线圈产生一个恒定磁场，恒定磁场提供极化量子轴，圆偏振驻波泵浦光场将原子气室中的原子介质沿极化量子轴极化到同一自旋态形成极化原子介质，圆偏振驻波泵浦光场形成消除多普勒展宽的第一亚多普勒原子光谱，第一分束器采集部分携带第一亚多普勒原子光谱光信号的反射泵浦光，反射到光电探测器，光电探测器接收第一亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第一亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元接收第一亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第一稳频误差信号，并反馈到泵浦光源，泵浦光源根据第一稳频误差信号将其频率稳定在泵浦所需的超精细能级跃迁频率；探测光源的出射光通过二分之一波片和第二分束器变为线偏振探测光，线偏振探测光经第二通光孔通过原子气室后被第二反射镜沿原光路反射，入射线偏振探测光与反射线偏振探测光在原子气室内形成线偏振驻波探测光场，第二亥姆霍兹线圈产生一个恒定磁场或与极化原子介质的自旋进动频率共振的交变磁场，激发极化原子介质的自旋进动，线偏振驻波探测光场形成消除多普勒展宽的第二亚多普勒原子光谱，第二分束器采集部分携带第二亚多普勒原子光谱光信号的反射探测光，反射到偏振分析单元，偏振分析单元接收第二亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第二亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元接收第二亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第二稳频误差信号和携带极化原子介质的自旋进动频率的信息的输出信号，其中，第二稳频误差信号反馈到探测光源，探测光源根据第二亚多普勒原子光谱电信号将其频率稳定在探测所需的超精细能级跃迁频率，所述输出信号对该原子传感器装置在极化量子轴方向的转动和外界磁场在极化量子轴方向的磁场分量敏感。进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述原子介质为碱土金属原子介质。进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述第一分束器的分光比为1：99至1：9。进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述第一分束器的分光比为1：99至1：9。进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述第一反射镜为一面镀银的全反射镜。进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述第二反射镜为一面镀银的全反射镜。进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述泵浦光源为分布反馈式二极管激光器，功率为20-40mW。进一步的，上述基于超精细能级稳频的原子传感器装置中，所述探测光源为分布反馈式二极管激光器，功率为10mW。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：1)本专利技术构造了圆偏振驻波泵浦光场和线偏振驻波探测光场，实现了亚多普勒原子光谱在原子气室内的集成，将泵浦光源和探测光源的频率稳定在超精细能级跃迁频率上，消除了多普勒展宽对泵浦和探测过程的影响，提高了原子传感器的精度和稳定性；2)本专利技术构造了驻波泵浦和探测光场，使得入射光与反射光的光路基本重合，增强了集成亚多普勒原子光谱对光学元器件振动噪声的抗扰能力，进一步提高了原子传感器的稳定性；3)本专利技术相比于现有技术中单向透射式光路，减少了磁屏蔽层上的通光孔数量，提高了原子传感器对杂散磁场的屏蔽效果；4)本专利技术提出采用碱土金属原子作为原子介质，相比于现有技术中使用的碱金属原子介质，基态碱土金属原子的碰撞不会造成核自旋的自旋弛豫，提高了原子传感器的性能。附图说明图1示出了本专利技术的实施例提供的基于超精细能级稳频的原子传感器装置的结构示意图；图2示出了本专利技术的实施例提供的泵浦过程示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明：图1示出了本专利技术的实施例提供的基于超精细能级稳频的原子传感器装置的结构示意图。如图1所示，该基于超精细能级稳频的原子传感器装置包括：泵浦光源1、探测光源2、第一分束器3、第二分束器4、四分之一波片5、二分之一波片6、原子气室7、第一反射镜8、第二反射镜9、光电探测器10、偏振分析单元11、第一亥姆霍兹线圈12、第二亥姆霍兹线圈13、磁屏蔽层14和信号处理单元15。具体实施时，泵浦光源1可以为分布反馈式二极管激光器，中心波长(以钾原子为例)对应D1线共振跃迁波长(一般碱金属的共振跃迁可分为D1线和D2线两类，详见C.Foot,AtomicPhysics,牛津大学出版社)，其功率为20-40mW，偏振态为线偏振；探测光源2为分布反馈式二极管激光器，中心波长(以钾原子为例)与D1线共振跃迁波长相差0.2nm，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于包括：泵浦光源(1)、探测光源(2)、第一分束器(3)、第二分束器(4)、四分之一波片(5)、二分之一波片(6)、原子气室(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、光电探测器(10)、偏振分析单元(11)、第一亥姆霍兹线圈(12)、第二亥姆霍兹线圈(13)、磁屏蔽层(14)和信号处理单元(15)；其中，泵浦光源(1)的出射光、第一分束器(3)的中心、四分之一波片(5)的中心轴线、原子气室(7)的中心、第一反射镜(8)的中心轴线和第一亥姆霍兹线圈(12)的中心轴线位于同一第一光轴，光电探测器(10)位于第一分束器(3)的一侧，沿第一光轴依次设置泵浦光源(1)、第一分束器(3)、四分之一波片(5)、原子气室(7)和第一反射镜(8)，第一亥姆霍兹线圈(12)的中心轴线的中点与原子气室(7)的中心相重合，信号处理单元(15)分别与光电探测器(10)和泵浦光源(1)相连接；探测光源(2)的出射光、二分之一波片(6)的中心轴线、第二分束器(4)的中心、原子气室(7)的中心、第二反射镜(9)的中心轴线和第二亥姆霍兹线圈(13)的中心轴线位于同一第二光轴，偏振分析单元(11)位于第二分束器(4)的一侧，沿第二光轴依次设置探测光源(2)、二分之一波片(6)、第二分束器(4)、原子气室(7)和第二反射镜(9)，第二亥姆霍兹线圈(13)的中心轴线的中点与原子气室(7)的中心相重合，信号处理单元(15)分别与偏振分析单元(11)和探测光源(2)相连接；磁屏蔽层(14)包设于原子气室(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第一亥姆霍兹线圈(12)和第二亥姆霍兹线圈(13)，磁屏蔽层(14)开设有第一通光孔(141)和第二通光孔(142)；泵浦光源(1)的出射光通过第一分束器(3)和四分之一波片(5)变为圆偏振泵浦光，圆偏振泵浦光经第一通光孔(141)通过原子气室(7)后被第一反射镜(8)沿原光路反射，入射圆偏振泵浦光与反射圆偏振泵浦光在原子气室(7)内形成圆偏振驻波泵浦光场，第一亥姆霍兹线圈(12)产生一个恒定磁场，恒定磁场提供极化量子轴，圆偏振驻波泵浦光场将原子气室(7)中的原子介质沿极化量子轴极化到同一自旋态，形成极化原子介质，圆偏振驻波泵浦光场形成消除多普勒展宽的第一亚多普勒原子光谱，第一分束器(3)采集部分携带第一亚多普勒原子光谱光信号的反射泵浦光，反射到光电探测器(10)，光电探测器(10)接收第一亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第一亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元(15)接收第一亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第一稳频误差信号，并反馈到泵浦光源(1)，泵浦光源(1)根据第一稳频误差信号将其频率稳定在泵浦所需的超精细能级跃迁频率；探测光源(2)的出射光通过二分之一波片(6)和第二分束器(4)变为线偏振探测光，线偏振探测光经第二通光孔(142)通过原子气室(7)后被第二反射镜(9)沿原光路反射，入射线偏振探测光与反射线偏振探测光在原子气室(7)内形成线偏振驻波探测光场，第二亥姆霍兹线圈(13)产生一个恒定磁场或与极化原子介质的自旋进动频率共振的交变磁场，激发极化原子介质的自旋进动，线偏振驻波探测光场形成消除多普勒展宽的第二亚多普勒原子光谱，第二分束器(4)采集部分携带第二亚多普勒原子光谱光信号的反射探测光，反射到偏振分析单元(11)，偏振分析单元(11)接收第二亚多普勒原子光谱光信号，并将其转化为第二亚多普勒原子光谱电信号，信号处理单元(15)接收第二亚多普勒原子光谱电信号，将其转化为第二稳频误差信号和携带极化原子介质的自旋进动频率的信息的输出信号，其中，第二稳频误差信号反馈到探测光源(2)，探测光源(2)根据第二亚多普勒原子光谱电信号将其频率稳定在探测所需的超精细能级跃迁频率，所述输出信号对该原子传感器装置在极化量子轴方向的转动和外界磁场在极化量子轴方向的磁场分量敏感。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超精细能级稳频的原子传感器装置，其特征在于包括：泵浦光源(1)、探测光源(2)、第一分束器(3)、第二分束器(4)、四分之一波片(5)、二分之一波片(6)、原子气室(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、光电探测器(10)、偏振分析单元(11)、第一亥姆霍兹线圈(12)、第二亥姆霍兹线圈(13)、磁屏蔽层(14)和信号处理单元(15)；其中，泵浦光源(1)的出射光、第一分束器(3)的中心、四分之一波片(5)的中心轴线、原子气室(7)的中心、第一反射镜(8)的中心轴线和第一亥姆霍兹线圈(12)的中心轴线位于同一第一光轴，光电探测器(10)位于第一分束器(3)的一侧，沿第一光轴依次设置泵浦光源(1)、第一分束器(3)、四分之一波片(5)、原子气室(7)和第一反射镜(8)，第一亥姆霍兹线圈(12)的中心轴线的中点与原子气室(7)的中心相重合，信号处理单元(15)分别与光电探测器(10)和泵浦光源(1)相连接；探测光源(2)的出射光、二分之一波片(6)的中心轴线、第二分束器(4)的中心、原子气室(7)的中心、第二反射镜(9)的中心轴线和第二亥姆霍兹线圈(13)的中心轴线位于同一第二光轴，偏振分析单元(11)位于第二分束器(4)的一侧，沿第二光轴依次设置探测光源(2)、二分之一波片(6)、第二分束器(4)、原子气室(7)和第二反射镜(9)，第二亥姆霍兹线圈(13)的中心轴线的中点与原子气室(7)的中心相重合，信号处理单元(15)分别与偏振分析单元(11)和探测光源(2)相连接；磁屏蔽层(14)包设于原子气室(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第一亥姆霍兹线圈(12)和第二亥姆霍兹线圈(13)，磁屏蔽层(14)开设有第一通光孔(141)和第二通光孔(142)；泵浦光源(1)的出射光通过第一分束器(3)和四分之一波片(5)变为圆偏振泵浦光，圆偏振泵浦光经第一通光孔(141)通过原子气室(7)后被第一反射镜(8)沿原光路反射，入射圆偏振泵浦光与反射圆偏振泵浦光在原子气室(7)内形成圆偏振驻波泵浦光场，第一亥姆霍兹线圈(12)产生一个恒定磁场，恒定磁场提供极化量子轴，圆偏振驻波泵浦光场将原子气室(7)中的原子介质沿极化量子轴极化到同一自旋态，形成极化原子介质，圆偏振驻波泵浦光场形成消除多普勒展宽的第一亚多普勒原子光谱，第一分束器(3)采集部分携带第一亚多普勒原子光谱光信号的反射泵浦光，反射到光电探测器(10)，光电探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜伯楠，张国万，李嘉华，成永杰，徐程，魏小刚，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11