基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置制造方法及图纸

基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，能够在同一个气室的不同部分进行抽运，从而有利于在一个气室下同时实现高灵敏度三轴原子矢量磁场的测量，包括碱金属气室，其特征在于，所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部，所述右上方块的X轴方向为第一路抽运光束照射通道，所述左下方块的Z轴方向为第二路抽运光束照射通道，所述左上方块不受抽运光束照射，所述第一路抽运光束和所述第二路抽运光束交汇于所述右下空缺部。

Three axis atom vector magnetic field measuring device based on serf

【技术实现步骤摘要】
基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置
本专利技术涉及原子磁强计技术，特别是一种基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，通过设置L形结构的碱金属气室，能够在同一个气室的不同部分进行抽运，从而有利于在一个气室下同时实现高灵敏度三轴原子矢量磁场的测量。SERF是Spin-Exchange-Relaxation-Free的缩写，即无自旋交换弛豫，SERF为本领域通用术语。
技术介绍
近年来，随着人类在激光技术和原子操控等关键理论和技术取得进展，量子技术应用得到空前关注，成为世界各国研究的热点。在磁场测量领域，无自旋交换弛豫原子磁强计可显著提高磁场测量精度和灵敏度，已成为目前磁测量灵敏度最高的磁强计。根据测量的磁场信息是否包含方向信息，可以将原子磁强计分为标量磁强计和矢量磁强计两大类。其中矢量磁强计可以测量磁场空间分量，获得空间中某点磁场更加完整的信息。三轴矢量原子磁强计能够同时提供磁场三轴矢量方向、幅度信息以及总的标量磁场幅值，被广泛应用于基础物理学、深空/深地探测、脑磁心磁探测、生物极弱磁测量等领域，已成为新一代磁强计的发展方向。利用无自旋交换原子磁强计实现三轴矢量化磁场测量，利用一个气室，使用分频调制方法可同时实现三轴灵敏度测量，但该方法在原子自旋方向磁场灵敏度较低。采用横向调制或纵向调制的方法，利用两个气室或者分不同时刻测量可实现高灵敏度三轴矢量磁场测量，但容易引入正交误差且不可连续测量。由于磁强计响应对原子极化方向磁场的不敏感性，无法利用一个气室同时实现三轴矢量磁场的超高灵敏度测量。目前现有的方法在一个气室下同时实现超高灵敏度三轴矢量磁场的测量难以实现。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，通过设置L形结构的碱金属气室，能够在同一个气室的不同部分进行抽运，从而有利于在一个气室下同时实现高灵敏度三轴原子矢量磁场的测量。本专利技术的技术方案如下：基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，包括碱金属气室，其特征在于，所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部，所述右上方块的X轴方向为第一路抽运光束照射通道，所述左下方块的Z轴方向为第二路抽运光束照射通道，所述左上方块不受抽运光束照射，所述第一路抽运光束和所述第二路抽运光束交汇于所述右下空缺部。所述第一路抽运光束为第一路圆偏振光束，所述第二路抽运光束为第二路圆偏振光束，所述第一路圆偏振光束和所述第二路圆偏振光束均来源于同一抽运激光器发射的原始抽运光束，所述原始抽运光束通过第一偏振分光棱镜分成两路初始光束。所述抽运激光器发射的激光波长在碱金属原子D1线的中心。所述碱金属气室的外围设置有无磁电加热烤箱，所述无磁电加热烤箱的外围设置有三轴磁补偿线圈，所述三轴磁补偿线圈的外围设置有磁屏蔽桶，所述三轴磁补偿线圈连接有信号发生器。所述右上方块的上方设置有第一1/4波片，所述第一1/4波片的上方设置有第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的上方设置有反射镜，所述反射镜的左前方设置有第二凸透镜，所述第二凸透镜的左前方设置有第一凸透镜，所述第一凸透镜的左前方设置有第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜的左前方设置有第一1/2波片，所述第一1/2波片的左前方设置有抽运激光器，所述抽运激光器发射原始抽运光束。所述右上方块的下方设置有第三凸透镜，所述第三凸透镜的下方设置有第一光电探测器，所述第一光电探测器连接计算机。所述第一偏振分光棱镜的下方设置有第二1/2波片，所述第二1/2波片的下方设置有光纤耦合器，所述光纤耦合器通过单模保偏光纤连接准直器，所述准直器输出准直抽运光束。所述左下方块的左前方设置有第二1/4波片，所述第二1/4波片的左前方设置有第四偏振分光棱镜，所述第四偏振分光棱镜的左前方设置有第五凸透镜，所述第五凸透镜的左前方设置有第四凸透镜，所述第四凸透镜的左前方设置有第三偏振分光棱镜，所述第三偏振分光棱镜的左前方设置有第三1/2波片，所述第三1/2波片的左前方为所述准直器。所述左下方块的右前方设置有第六凸透镜，所述第六凸透镜的右前方设置有第二光电探测器，所述第二光电探测器连接计算机。所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种，内部充有缓冲气体氦气和淬灭气体氮气，通过充有高压强氦气，使碱金属不能自由扩散。本专利技术的技术效果如下：本专利技术基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，克服现有常规的基于无自旋交换驰豫三轴矢量磁场测量方式中，无法利用一个气室同时实现三轴矢量磁场的超高灵敏度测量的问题。本专利技术利用L型碱金属气室对一个气室的不同部分进行抽运，在三个方向施加频率不同的三个正弦磁场，对原子自旋进动信号进行解调，从而实现三轴高灵敏度磁场测量。碱金属气室中的原子在光抽运、弱磁场和高温加热三个条件下，工作于无自旋交换弛豫状态。利用L形碱金属气室对一个碱金属气室的不同部分进行抽运，利用三轴磁补偿线圈分别在三个方向施加频率不同的三个正弦磁场，利用光吸收原理检测原子自旋进动信号，使用锁相放大器对原子自旋进动信号进行解调，可实现三轴高灵敏度磁场测量。利用光吸收原理检测原子自旋进动信号，微弱磁场导致碱金属原子自旋进动，磁场大小与投射碱金属气室后的出射光强大小成比例，通过标定可得到磁场与光强的关系。通过三轴磁补偿线圈在三轴施加频率不同、大小相同的磁场，利用锁向放大器解调，可区分出第一光电探测器和第二光电探测器所接收光强信号中的三轴磁场信息。本专利技术与现有技术相比：常规的无自旋交换弛豫原子自旋三轴磁场测量装置，利用一个气室，使用分频调制方法同时实现三轴同时测量，但该方式在原子自旋方向的磁场灵敏度较低；采用多个气室或者分不同时刻测量可实现高灵敏度三轴矢量磁场测量，但会引入非正交误差且无法连续测量。本专利技术采用L型气室，使用双束抽运光，利用横向调制的方法实现三轴矢量磁场的高灵敏度测量，从而解决常规方法存在的不足。附图说明图1是实施本专利技术基于无自旋交换弛豫的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置结构示意图，所述无自旋交换弛豫在本领域内又称SERF，SERF是Spin-Exchange-Relaxation-Free的缩写。图2是图1中碱金属气室(L型或L形)结构示意图。所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部。第一路圆偏振光束照射右上方块(沿右上方块的X轴方向照射)，第二路圆偏振光束照射左下方块(沿左下方块的Z轴方向照射)，第一路圆偏振光束和第二路圆偏振光束交汇于右下空缺部。左上方块不受抽运光照射。附图标记列示如下：1-抽运激光器；2-抽运光束或原始抽运光束；3-第一1/2波片(二分之一波片，产生附加光程差或相位差为λ/2)；4-第一偏振分光棱镜(将原始激光光束分成两路，其中一路形成第一路圆偏振光束，另一路形成第二路圆偏振光束)；5-第一凸透镜；6-第二凸透镜；7-反射镜；8-第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，包括碱金属气室，其特征在于，所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部，所述右上方块的X轴方向为第一路抽运光束照射通道，所述左下方块的Z轴方向为第二路抽运光束照射通道，所述左上方块不受抽运光束照射，所述第一路抽运光束和所述第二路抽运光束交汇于所述右下空缺部。/n

【技术特征摘要】
1.基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，包括碱金属气室，其特征在于，所述碱金属气室为L形结构，所述L形结构包括左上方块、右上方块和左下方块，右下方为右下空缺部，所述右上方块的X轴方向为第一路抽运光束照射通道，所述左下方块的Z轴方向为第二路抽运光束照射通道，所述左上方块不受抽运光束照射，所述第一路抽运光束和所述第二路抽运光束交汇于所述右下空缺部。


2.根据权利要求1所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述第一路抽运光束为第一路圆偏振光束，所述第二路抽运光束为第二路圆偏振光束，所述第一路圆偏振光束和所述第二路圆偏振光束均来源于同一抽运激光器发射的原始抽运光束，所述原始抽运光束通过第一偏振分光棱镜分成两路初始光束。


3.根据权利要求2所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述抽运激光器发射的激光波长在碱金属原子D1线的中心。


4.根据权利要求1所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述碱金属气室的外围设置有无磁电加热烤箱，所述无磁电加热烤箱的外围设置有三轴磁补偿线圈，所述三轴磁补偿线圈的外围设置有磁屏蔽桶，所述三轴磁补偿线圈连接有信号发生器。


5.根据权利要求4所述的基于SERF的双抽运光束三轴原子矢量磁场测量装置，其特征在于，所述右上方块的上方设置有第一1/4波片，所述第一1/4波片的上方设置有第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的上方设置有反射镜，所述反射镜的左前方设置有第二凸透镜，所述第二凸透镜的左前方设置有第一凸透镜，所述第一凸透镜的左前方设置有第一偏振分光棱镜，所述第一偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁铭，马丹跃，陆吉玺，李思然，王坤，张少文，韩邦成，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11