提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置及方法，采用谱线宽度与气室压力展宽等量级的激光作为抽运光对原子进行极化。光源谱线宽度是通过对电光相位调制器施加电压调制，使通过调制器的窄线宽激光进行外部相位调制，实现激光谱线展宽。其中调制信号采用高斯白噪声，通过调节噪声带宽控制输出激光谱线宽度。相比于使用单个宽频光源的SERF磁场测量装置，采用电光相位调制器对抽运光进行线宽展宽，不仅具备宽线宽光源提高气室电子极化均匀性的能力，而且兼顾窄线宽光源中心波长稳定性和相对较低强度噪声优点，从而使SERF磁场测量装置具有优越的刻度系数稳定性和较小的随机噪声，有利于提高SERF磁场测量装置梯度差分灵敏度极限。敏度极限。敏度极限。
【技术实现步骤摘要】
提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置及方法
[0001]本专利技术涉及SERF原子磁场测量技术，具体涉及一种提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置及方法。
技术介绍
[0002]受益于高性能窄线宽半导体激光器的发展，基于光抽运的无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free Regime，SERF)磁场测量装置获得迅速发展，已广泛应用于基础物理研究、生物医学等领域。SERF磁场测量装置通常工作在160℃
‑
200℃以保持气室中较高的碱金属密度，然而气室中较高的碱金属密度引起抽运光强吸收，导致电子极化分布不均匀。另一方面，由于不可避免的激光功率、频率波动将导致抽运效率变化，引起刻度系数不稳定，进而降低磁场测量灵敏度。因此需要一种提高电子极化率分布均匀性和稳定性的装置及方法。
[0003]为了解决高密度下较大的电子极化率梯度，研究者提出了对向抽运、混合抽运和原子扩散等多种方案。对于极化率稳定性，通常采用窄线宽激光器，并进行高精度的稳频、稳功率。通常设置窄线宽激光工作在碱金属共振峰，在高密度气室中激光衰减较快，引起较大的电子极化率梯度。此外，在共振频率附近，激光频率、功率波动引起抽运率及光频移较大的变化，对所使用的激光频率稳定性提出了较高的要求。本专利技术人认为，如果采用宽谱激光，一方面可以降低激光在气室中的衰减速率，提高极化率均匀性，可以省去较复杂的极化率梯度抑制配置；另一方面，由于宽谱激光与碱金属相互作用的平均吸收横截面变小，降低了系统对激光频率、功率波动敏感度。其中，设置宽谱激光中心频率位于碱金属原子共振峰，使谱线两侧产生的光频移相互对消。
技术实现思路
[0004]本专利技术目的在于提供一种提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置及方法，采用电光相位调制器将窄线宽激光谱线宽度展宽至气室压力展宽量级的激光作为抽运光对原子进行极化，并将宽谱激光的中心频率设置在碱金属原子共振峰，可以有效降低电子极化率梯度和提高电子极化率稳定性。
[0005]本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置，其特征在于，包括用于产生窄线宽光源的抽运激光器，用于引起光场涨落的电光相位调制器，施加在电光相位调制器上的功率和带宽可调高斯噪声源，碱金属气室，以及检测和磁场控制系统，所述抽运激光器产生的窄线宽激光通过电光相位调制器后输出的宽谱激光作为抽运激光极化碱金属气室，所述宽谱激光的谱线宽度通过控制施加在电光相位调制器上的驱动功率和带宽进行调节以将窄线宽激光谱线宽度展宽至气室压力展宽量级，所述功率和带宽可调高斯噪声源包括高斯白噪声源、低通滤波器组、宽带射频功率放大模块、和/或可调功率衰减器。
[0007]所述宽谱激光的中心频率与所述碱金属气室中的碱金属原子共振峰频率相同。
[0008]所述的高斯白噪声源输出信号通过第一通道线路连接开关连接低通滤波器组，所述低通滤波器组输出信号通过第二多通道线路连接开关连接宽带射频功率放大模块，经过可调功率衰减器后输入至电光相位调制器的电学端口施加驱动效果；所述的抽运激光器输出的激光依次经过所述电光相位调制器光学端口、第一起偏器、和第一1/4波片后作为抽运光入射碱金属气室极化碱金属原子，所述碱金属气室周围自内向外依次设置有无磁电加热系统、三轴磁补偿线圈和磁屏蔽桶；检测激光器输出的检测光依次经过第二起偏器、光弹调制器、第二1/4波片、碱金属气室、检偏器后入射光电探测器将光信号转换为电信号后通过同轴电缆传输给锁相放大器，所述锁相放大器分别连接调制控制器和上位机，所述调制控制器连接光弹调制器，所述上位机通过函数发生器连接所述三轴磁补偿线圈。
[0009]所述光弹调制器由调制控制器驱动，所述电信号和所述调制控制器的参考信号经锁相放大器解调后获得检查电信号的直流分量、一倍频分量和二倍频分量，并反馈给所述上位机。
[0010]所述低通滤波器组包含具有不同截止频率的离散滤波器，允许粗调高斯白噪声源输出信号的带宽，从而实现激光线宽的粗调；所述可调功率衰减器可以以0.5dB的间隔实现0到90dB功率衰减，从而实现激光线宽的微调；所述可调功率衰减器输出信号输入到电光相位调制器的电学端口。
[0011]提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性方法，其特征在于，利用上述提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置。
[0012]包括以下步骤：
[0013]步骤1，按照上述说明搭建光路，并连通电路部分，设置碱金属气室温度为160～200℃，关闭高斯白噪声源，调节光路及三轴磁补偿线圈，使装置工作在SERF状态；
[0014]步骤2，通过第一多通道线路连接开关连接低通滤波器组内的第一个滤波器，打开高斯白噪声源，通过可调功率衰减器6设置功率衰减为90dB；
[0015]步骤3，采用三维原位磁补偿技术补偿系统剩磁，使用函数发生器在敏感轴Y添加标定磁场，调节抽运光功率，使锁相放大器输出一倍频分量最大，即磁场响应信号最强，并记录此时的抽运光功率和一倍频信号强度；
[0016]步骤4，以0.5dB的间隔在90
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0dB范围内调节可调功率衰减器，并在每一个功率衰减值下重复步骤3；
[0017]步骤5，通过第一多通道线路连接开关依次连接低通滤波器组内的其余滤波器，并在每一个滤波器下重复步骤4；
[0018]步骤6，最大输出磁场响应信号对应的电子极化均匀性和稳定性最佳。
[0019]本专利技术的技术效果如下：本专利技术提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置及方法，采用谱线宽度与气室压力展宽等量级的激光作为抽运光对原子进行极化。光源谱线宽度是通过对电光相位调制器施加电压调制，使通过调制器的窄线宽激光进行外部相位调制，实现激光谱线展宽。其中调制信号采用高斯白噪声，通过调节噪声带宽控制输出激光谱线宽度。相比于使用单个宽频光源的SERF磁场测量装置，采用电光相位调制器对抽运光进行线宽展宽，不仅具备宽线宽光源提高气室电子极化均匀性的能力，而且兼顾窄线宽光源中心波长稳定性和相对较低强度噪声优点，从而使SERF磁场测量装置具有优越的刻度系数稳定性和较小的随机噪声，有利于提高SERF磁场测量装置梯度差分灵敏度极限。
[0020]本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)采用宽谱激光可以大幅降低因碱金属原子吸收引起沿抽运方向激光光强的衰减，提升碱金属电子极化均匀性；(2)窄线宽激光经过电光相位调制器展宽后的光谱对称分布，通过将中心波长设置在碱金属共振吸收峰，可以实现光谱中红移、蓝移分量引起的光频移对消，降低光频移噪声；(3)采用电光相位调制器对抽运光进行线宽展宽，不仅具备宽线宽光源提高气室电子极化均匀性的能力，而且兼顾窄线宽光源中心波长稳定性和相对较低强度噪声优点，从而使SERF原子磁强计具有优越的刻度系数稳定性和较小的随机噪声。(4)进入电光调制器前的激光线宽窄，可进行高效稳频。
附图说明
[0021本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置，其特征在于，包括用于产生窄线宽光源的抽运激光器，用于引起光场涨落的电光相位调制器，施加在电光相位调制器上的功率和带宽可调高斯噪声源，碱金属气室，以及检测和磁场控制系统，所述抽运激光器产生的窄线宽激光通过电光相位调制器后输出的宽谱激光作为抽运激光极化碱金属气室，所述宽谱激光的谱线宽度通过控制施加在电光相位调制器上的驱动功率和带宽进行调节以将窄线宽激光谱线宽度展宽至气室压力展宽量级，所述功率和带宽可调高斯噪声源包括高斯白噪声源、低通滤波器组、宽带射频功率放大模块、和/或可调功率衰减器。2.根据权利要求1所述的提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置，其特征在于，所述宽谱激光的中心频率与所述碱金属气室中的碱金属原子共振峰频率相同。3.根据权利要求1所述的提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置，其特征在于，所述的高斯白噪声源输出信号通过第一通道线路连接开关连接低通滤波器组，所述低通滤波器组输出信号通过第二多通道线路连接开关连接宽带射频功率放大模块，经过可调功率衰减器后输入至电光相位调制器的电学端口施加驱动效果；所述的抽运激光器输出的激光依次经过所述电光相位调制器光学端口、第一起偏器、和第一1/4波片后作为抽运光入射碱金属气室极化碱金属原子，所述碱金属气室周围自内向外依次设置有无磁电加热系统、三轴磁补偿线圈和磁屏蔽桶；检测激光器输出的检测光依次经过第二起偏器、光弹调制器、第二1/4波片、碱金属气室、检偏器后入射光电探测器将光信号转换为电信号后通过同轴电缆传输给锁相放大器，所述锁相放大器分别连接调制控制器和上位机，所述调制控制器连接光弹调制器，所述上位机通过函数发生器连接所述三轴磁补偿线圈。4.根据权利要求3所述的提高SERF磁场测量装置电子极化均匀性和稳定性装置，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩邦成，马宁，段利红，马丹跃，陆吉玺，刑博铮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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