一种高精度相干布居囚禁CPT铷原子磁力仪的制作方法

本发明涉及一种高精度相干布居囚禁cpt铷原子磁力仪，属于原子磁力仪技术领域。

背景技术：

在现代科技中，磁探测技术的应用非常广泛。磁场测量可用于地球物理研究、油气和矿产勘查、军事国防、医学诊断、地质调查及考古研究等领域。而其中弱磁探测是一个非常重要且具有很大发展前景的研究方向。目前，主要是采用超导量子干涉器件(superconductingquantuminterferencedevice)进行弱磁探测，其对于微弱磁场的测量具有高的灵敏度，但是该磁力仪装置复杂、对工作环境要求高、使用维护成本高，普适性差，不利于弱磁探测的研究发展。

基于相干布局困禁(coherentpopulationtrapping,cpt)的原子磁力仪，因易于实现小体积、低功耗、低成本的小型磁场计而具有实用竞争力。该磁力仪因其绝对测量的方案且无需校准，在导航和空间磁测方向有着很好的前景。下面简单介绍cpt原子磁力仪基本原理。

cpt现象：激光与原子相互作用时，当激光频率等于两能级间对应的跃迁频率时，光与原子会发生共振，原子吸收一个光子，并从基态跃迁到激发态。当相干双色光与原子相互作用，形成一个三能级λ跃迁构型时，若双色光频率差等于基态两能级之间对应的跃迁频率，由于量子干涉效应，部分原子不再吸收光子，被囚禁在基态，从而形成cpt现象。

塞曼效应是指原子在磁场中的能级发生劈裂的现象。这是原子磁力仪能够测量磁场最基本的原理。以⁸⁷rb7铷原子磁力仪为例进行原子磁力仪测量原理介绍如下：

⁸⁷rb原子d1线的超精细能级结构中，在外磁场b作用下，基态fg＝2和基态fg＝1的能级根据塞曼效应产生劈裂，由塞曼效应产生的一阶能级频移δv，等于拉莫尔进动频率f。f,δv与磁场强度关系如下：

f＝δv＝γb(1)

其中γ为⁸⁷rb原子的旋磁比约为6.998123hz/nt。所以只需利用cpt现象测得外磁场b作用下的拉莫尔进动频率f，即可计算出磁场强度b。

技术实现要素：

为了克服现有磁力仪灵敏度、绝对精度等不够的问题，本发明提供了一种高精度cpt铷原子磁力仪，该磁力仪大大提高cpt信号对比度，能够精确测量磁场，并大幅提高磁场测量灵敏度。

一种高精度cpt铷原子磁力仪，其特征在于：所述的磁力仪包括vcsel激光器(1)、准直透镜(2)、电光调制器(3)、λ/2波片(4)、偏振分光棱镜(5)、反射镜(6)、λ/4波片(7)、ito加热器(8)、原子气室(9)、光电探测器(10)，反馈模块(11)、温控模块(12)、数据采集模块(13)、上位机(14)、电路控制模块(15)以及3.417ghz微波源(16)。

上位机(14)通过控制温控模块(12)以及ito加热器(8)使得vcsel激光器(1)、原子气室(9)和光电探测器(10)保持在适合的温度下工作，上位机(14)通过电路控制模块(15)使vcsel激光器(1)产生单一频率vl激光，并且电路控制模块(15)和3.417ghz微波源(16)通过调制电流方式对vcsel激光器(1)进行微波调制，使vcsel激光器(1)产生能耦合基态两个超精细能级的不同磁能级的双色光场，经过准直透镜(2)、电光调制器(3)、λ/2波片(4)和偏振分光棱镜(5)后分成两束光强相等且偏振正交的线偏振光，其中一束激光经过反射镜(6)反射后与另外一束激光平行，两束线偏振激光经过λ/4波片(7)后变成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，原子气室(9)置于磁场强度为b的待测磁场中，两束光关于原子气室(9)中心轴对称,经过原子气室(9)分别被光电探测器(10-2)和光电探测器(10-3)所探测，光电探测器(10-1)置于原子气室(9)透明侧面用于探测原子气室(9)荧光强度，vcsel激光器被微波调制时，反馈模块(11)实时通过电光调制器(3)调制出射激光光强使得光电探测器(10-1)探测到的原子气室(9)荧光强度为恒定值，数据采集模块(13)采集光电探测器(10-2)和光电探测器(10-3)的光强数据，将其传送至上位机(14)，上位机(14)对数据进行差分得到拉莫尔进动频率,根据拉莫尔进动频率与磁场强度的关系，求出待测磁场强度为b。

进一步，所述的vcsel激光器(1)保持工作温度恒定，输出的光功率为400-800μw,且vcsel激光器(1)具有可进行微波调制，调制带宽可达到ghz以上，体积小，可以低功率发射激光降低功耗的优点。

特征在于所述的光电探测器(10-1)、光电探测器(10-2)和光电探测器(10-3)在温控模块(12)利用ito加热器(8)加热保持工作温度恒定。

所述的光电探测器(10-1)置于原子气室(9)透明侧面用于探测原子气室(9)荧光强度，反馈模块(11)通过实时监测荧光强度数据以相应利用电光调制器(3)调制出射激光光强使得光电探测器(10-1)探测到的原子气室(9)荧光强度为恒定值，由cpt原理和荧光激发原理可知原子气室(9)荧光强度与cpt信号强度成负相关，这样电光调制器(3)调制激光光强使得原子气室(9)荧光强度恒定，就需要在cpt信号强时增加激光光强，cpt信号弱时减少激光光强，这将导致原来cpt信号强时变得更强，弱时变得更弱，增加了cpt信号对比度，并且结合差分方案提高了本发明中cpt铷原子磁力仪灵敏度。

所述的ito加热器(8)仅通过金焊盘实现上ito层和下ito层之间的电接触。因此，由流过下ito层的电流产生的磁场被在上ito层中直接在其上方流动的返回电流的磁场抵消从而减少了对待测磁场测量的干扰，提高测量精度。

所述的原子气室(9)内安装了两块对称的凸柱面铝反射镜，入射激光则会在铝反射镜之间来回反射，使入射激光与铷原子充分作用，这样就可以降低对原子气室长度的要求，从而使得原子气室体积更小。

所述的原子气室(9)充满⁸⁷rb和缓冲气体，缓冲气体是4torrn2和ch4，n2和ch4的压强比为1:2，并且原子气室(9)内壁覆上一层抗弛豫涂层如十八烷基三氯硅烷，其降低了⁸⁷rb和原子气室(9)内壁碰撞。

所述的磁力仪工作时，原子气室(9)内为恒温环境，且温度为50℃～60℃。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的磁力仪利用双共振原理和差分方案，提高了cpt信号强度和cpt磁力仪的测量精度。

2、本发明提出磁力仪中具有一种适用于本发明一种原子气室和一种反馈系统，磁力仪具有灵敏度高、低功耗、体积小等优点。

附图说明

图1为本发明一种高精度cpt铷原子磁力仪的结构示意图。

图2为本发明中ito加热器结构示意图。

图3为本发明中原子气室结构示意图。

图4为双共振能级图。

图5为注入微波后的激光频率及±1、±2级边带示意图。

图6为vcsel激光器为光源的多色光±1级边带和⁸⁷rb原子d1制备cpt能级跃迁图。

图7为调制微波后的激光频率及边带示意图。

图8为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光双共振能级图。

图9为频移相反的两个cpt信号及其叠加信号示意图。

图10为拉莫尔进动频率f与外磁场强度b关系示意图。

图中：vcsel激光器(1)、准直透镜(2)、电光调制器(3)、λ/2波片(4)、偏振分光棱镜(5)、反射镜(6)、λ/4波片(7)、ito加热器(8)、原子气室(9)、光电探测器(10)，反馈模块(11)、温控模块(12)、数据采集模块(13)、上位机(14)、电路控制模块(15)、3.417ghz微波源(16)、玻璃层(17)、ito层(18)、绝缘层(19)、金属焊盘(20)、环氧树脂(21)、可导环氧树脂(22)、玻璃薄层(23)、凸柱面铝反射镜(24)以及抗弛豫涂层(25)。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种高精度cpt铷原子磁力仪，包括vcsel激光器(1)、准直透镜(2)、电光调制器(3)、λ/2波片(4)、偏振分光棱镜(5)、反射镜(6)、λ/4波片(7)、ito加热器(8)、原子气室(9)、光电探测器(10)，反馈模块(11)、温控模块(12)、数据采集模块(13)、上位机(14)、电路控制模块(15)以及3.417ghz微波源(16)。

各部件之间的组装关系如下：原子气室(9)置于待测磁场中，vcsel激光器(1)发出激光，激光依次经过准直透镜(2)、电光调制器(3)、λ/2波片(4)和偏振分光棱镜(5)分成两束光强相等且偏振正交的线偏振光，反射镜(6)倾斜45度置于偏振分光棱镜(5)正上方，使得反射的光平行于另一分光，两束线偏振激光垂直经过λ/4波片(7)，λ/4波片(7)后面的光路依次放置ito加热器(8-1)、原子气室(9)、光电探测器(10-2)以及光电探测器(10-3)，且调节使光电探测器(10-2)和光电探测器(10-3)分别与两束激光垂直，光电探测器(10-1)置于原子气室(9)透明侧面，ito加热器(8-5)置于vcsel激光器(1)之后，ito加热器(8-4)置于光电探测器(10-1)之后，ito加热器(8-3)置于光电探测器(10-3)之后，ito加热器(8-2)置于光电探测器(10-2)之后，ito加热器(8-2)和ito加热器(8-3)都与温控模块(12-1)连接，ito加热器(8-2)、ito加热器(8-3)和ito加热器(8-4)都与温控模块(12-2)连接，温控模块(12-1)和(12-2)两个部分都与电路控制模块(15)连接，同时实现了温控模块(12-1)、(12-2)两个部分连接，光电探测器(10-1)与反馈模块(11)连接，同时反馈模块(11)又分别与电光调制器(3)和电路控制模块(15)，光电探测器(10-2)和光电探测器(10-3)与数据采集模块(13)连接，3.417ghz微波源(16)分别与vcsel激光器(1)和电路控制模块(15)连接，数据采集模块(13)和电路控制模块(15)分别与上位机(14)连接。

上位机(14)通过控制温控模块(12)以及ito加热器(8)使得vcsel激光器(1)、原子气室(9)和光电探测器(10)保持在适合的温度下工作，上位机(14)通过电路控制模块(15)使vcsel激光器(1)产生单一频率vl激光，并且电路控制模块(15)和3.417ghz微波源(16)通过调制电流方式对vcsel激光器(1)进行微波调制，使vcsel激光器(1)产生能耦合基态两个超精细能级的不同磁能级的双色光场，经过准直透镜(2)、电光调制器(3)、λ/2波片(4)和偏振分光棱镜(5)后分成两束光强相等且偏振正交的线偏振光，其中一束激光经过反射镜(6)反射后与另外一束激光平行，两束线偏振激光经过λ/4波片(7)后变成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，原子气室(9)置于磁场强度为b的待测磁场中，两束光关于原子气室(9)中心轴对称,经过原子气室(9)分别被光电探测器(10-2)和光电探测器(10-3)所探测，光电探测器(10-1)置于原子气室(9)透明侧面用于探测原子气室(9)荧光强度，vcsel激光器被微波调制时，反馈模块(11)实时通过电光调制器(3)调制出射激光光强使得光电探测器(10-1)探测到的原子气室(9)荧光强度为恒定值，数据采集模块(13)采集光电探测器(10-2)和光电探测器(10-3)的光强数据，将其传送至上位机(14)，上位机(14)对数据进行差分得到拉莫尔进动频率,根据拉莫尔进动频率与磁场强度的关系，求出待测磁场强度为b。

其中vcsel激光器(1)保持工作温度恒定，输出的光功率为400-800μw,且vcsel激光器(1)具有可进行微波调制，调制带宽可达到ghz以上，体积小，可以低功率发射激光降低功耗的优点。光电探测器(10-1)、光电探测器(10-2)和光电探测器(10-3)在温控模块(12)利用ito加热器(8)加热保持工作温度恒定。如图2所示ito加热器(8)仅通过金属焊盘(15)实现上下ito层(13)之间的电接触。因此，流过下ito层的电流产生的磁场被在上ito层中直接在其上方流动的返回电流的磁场抵消，从而减少了对待测磁场测量的干扰，提高测量精度。光电探测器(10-1)置于原子气室(9)透明侧面用于探测原子气室(9)荧光强度，反馈模块(11)通过实时监测荧光强度数据以相应利用电光调制器(3)调制出射激光光强使得光电探测器(10-1)探测到的原子气室(9)荧光强度为恒定值，由cpt原理和荧光激发原理可知原子气室(9)荧光强度与cpt信号强度成负相关，这样电光调制器(3)调制激光光强使得原子气室(9)荧光强度恒定，就需要在cpt信号强时增加激光光强，cpt信号弱时减少激光光强，这将导致原来cpt信号强时变得更强，弱时变得更弱，增加了cpt信号对比度，并且结合差分方案提高了本发明中cpt铷原子磁力仪灵敏度。如图3原子气室(9)内安装了两块对称的凸柱面铝反射镜(24)，原子气室(9)上下和前后面由玻璃薄层(23)构成，入射激光会在铝反射镜之间来回反射，使入射激光与铷原子充分作用，这样就可以降低对原子气室长度的要求，从而使得原子气室体积更小。原子气室(9)充满⁸⁷rb和缓冲气体，缓冲气体是4torrn2和ch4，n2和ch4的压强比为1:2，并且原子气室(9)内壁覆上一层抗弛豫涂层(25)如十八烷基三氯硅烷，其降低了⁸⁷rb和原子气室(9)内壁碰撞。磁力仪工作时，原子气室(9)内为恒温环境，且温度为50℃～60℃。

下面我们对本实施例的具体原理进行进一步介绍:

首先我们利用双共振原理，即同时利用多个共振频率的激光激发原子，利用两组磁量子数m＝±n,n＝1,2,3...的磁子能级构建λ型三能级结构，使得最终获得的cpt信号是两个cpt信号的叠加。如图4所示，本实施方案中采用同时构建基态fg＝2,mf＝-1、基态fg＝1,mf＝-1和激发态fe＝2,mf＝0；基态fg＝2,mf＝1、基态fg＝1,mf＝1和激发态fe＝2,mf＝2这两组能级与磁能相关的λ型三能级结构，获得两组cpt信号的叠加信号。

双共振原理的具体实施方法：利用vcsel激光器(1)得到双色光场(双色光场是指含有两种频率分量的光场)。我们采用的方法简单来说是对一个输出单一频率vl激光的vcsel激光器(1)，进行频率为vmw的微波调制，则激光频率就会产生多个调制边带。由于高阶调制边带能量较小，因此本实施例中主要利用一阶边带，画图时忽略高阶调制边带，调制结果如图5所示。为了在实现cpt共振前，将双色光的激光频率锁定⁸⁷rb的d1线上。在本实施例中对vcsel激光器(1)驱动直流加入vmw＝3.417ghz的微波调制(半波调制)，vcsel激光器(1)输出变为多色光，之后对驱动直流进行扫描，vcsel激光器(1)输出的多色光各边带频率发生平移，当出现两边带分别与图6三能级的跃迁对应时，⁸⁷rb原子会吸收光子发生跃迁，得到多色光吸收谱线。因为多色光一阶边带的光强最强，因此会出现中间最大的吸收峰。将激光频率稳定在最大吸收峰的最低处所对应的激光频率，即将vcsel激光器(1)的驱动直流稳定在此处对应的电流值上，这样就确定了vcsel激光器(1)输出的单一激光频率vl。

双共振激发。在双色光场的基础上，对微波进行调制，调制频率为δv,则激光频率将产生更多的边带，如图7所示。因为本实施例中利用一阶边带，所以画图时忽略高阶调制边带。

通过改变微波调制频率δv，使得频率为vl+vmw±δv和vl-vmw±δv的激光调制边带同时耦合基态磁子能级fg＝1,mf＝±1和基态磁子能级fg＝2,mf＝±1与激发态能级的跃迁，从而实现双共振激发。此时频率δv等于拉莫尔进动频率f。

双共振原理提高了信号的强度，但是无法抑制信号的噪声。为了进一步抑制信号的噪声，我们进一步结合了差分方案，具体如下：

本实施例通过使vcsel激光器(1)调制后输出的激光依次经过λ/2波片(4)、偏振分光棱镜(5)、反射镜(6)以及λ/4波片(7)变成两束光强相等左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。左旋圆偏振光和右旋圆偏振光双共振能级图如图8所示，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别对应σ⁺光和σ^-光，并且图中引入了非线性塞曼频移。图8中δv代表的是一阶塞曼频移产生的能级间隔，δv代表的是非线性塞曼频移产生的能级间隔。非线性塞曼频移这类频移是由塞曼效应的高阶效应引起的，在塞曼效应中，原子能级的劈裂主要由一阶塞曼分裂决定，但存在二阶及以上的高阶塞曼分裂的影响。随着阶数的提高，该影响也越来越小，因此，非线性塞曼频移主要由二阶塞曼分裂决定。考虑二阶塞曼分裂的情况下，塞曼能级分裂δe满足以下式子:

其中,i为核自旋量子数，μb为波尔磁子，mf为磁子能级的磁量子数，vhfs为超精细能级间隔。上式中的第一项代表了一阶塞曼分裂的影响，第二项代表了二阶塞曼分裂的影响。由上式可知，对于mf＝±1的基态磁子能级，由非线性塞曼频移产生的能级频移量相等。

首先对左旋圆偏振光进行讨论，对于基态fg＝2,mf＝-1和基态fg＝1,mf＝-1，构建cpt态所需要的激光频率为：

其中,v2,-1，v1,-1分别为基态fg＝2,mf＝-1和基态fg＝1,mf＝-1到激发态fe＝2的跃迁频率，vl为激光频率，vhfs为基态超精细能级间隔，δv-1为mf＝-1的非线性塞曼频移。由于微波频率vmw满足：

所以式(3)和式(4)可写成：

v2,-1＝vl-vmw+(δv+δv0-δv-1)(6)

v1,-1＝vl+vmw-(δv+δv0-δv-1)(7)

其中，δv0为mf＝0磁子能级的非线性塞曼频移。

由式(6)、(7)可知，对于mf＝-1的磁子能级构建的cpt态，其信号对应的共振频率v-1为：

v-1＝δv+δv0-δv-1(8)

相应，对于基态fg＝2,mf＝1和基态fg＝1,mf＝1，构建cpt态所需要的激光频率为：

v2,1＝vl-vmw-(δv-δv0+δv-1)(9)

v1,1＝vl+vmw+(δv-δv0+δv-1)(10)

其中，v2,1,v1,1分别为基态fg＝2,mf＝1和基态fg＝1,mf＝1到激发态fe＝2的跃迁频率。

由式(9)、(10)可知，对于mf＝1的磁子能级构建的cpt态，其信号对应的共振频率v1为：

v1＝δv-δv0+δv-1(11)

由双共振原理可知，最终探测到的cpt信号是两个cpt信号的叠加，理想情况下两个cpt信号的强度一致，根据式(8)、(11)可知，最终的探测的cpt信号的共振频率为vcpt1：

考虑微波频率的准确度和漂移的影响，微波频率随时间的函数vmw(t)可表示为：

vmw(t)＝vmw(0)+δvmw(t)(13)

其中，vmw(0)为初始时设定的微波频率，δvmw(t)为微波随时间的漂移。

对于基态fg＝2,mf＝-1和基态fg＝1,mf＝-1，构建cpt态所需要的激光频率为：

v2,-1＝vl-vmw(0)+δv＝vl-vmw(t)+(δv+δvmw(t))(14)

v1,-1＝vl+vmw(0)-δv＝vl+vmw(t)-(δv+δvmw(t))(15)

因此，其信号对应的共振频率为：

v-1＝δv+δvmw(t)(16)

对于基态fg＝2,mf＝1和基态fg＝1,mf＝1，构建cpt态所需要的激光频率为：

v2,1＝vl-vmw(0)-δv＝vl-vmw(t)-(δv-δvmw(t))(17)

v1,1＝vl+vmw(0)+δv＝vl+vmw(t)+(δv-δvmw(t))(18)

因此，其信号对应的共振频率为：

v1＝δv-δvmw(t)(19)

由式(12)，可知微波频率的影响漂移也将被消除。

所以在理想情况下两个cpt信号的强度一致，利用双共振原理，只需调节半波调制，左旋圆偏振光激发可以同时消除由原子受到各种因素引起的能级频移的影响和用于产生双色光场的微波频率漂移引起光场频率漂移的影响，从而保证cpt磁力仪的绝对精度。图9所示，虚线分别对应了以上讨论的两个cpt共振信号，实线为最终探测到的cpt信号。同理分析右旋圆偏振光也达到同样效果。

但是由于光泵浦作用的影响，对于左旋圆偏振光而言由磁子能级mf＝1对应产生的cpt信号大于由磁子能级mf＝-1对应产生的cpt信号，而mf＝1对应的cpt信号的共振频率在上述频移因素的影响下大于真是磁场产生的拉莫尔进动频率，因此最终由左旋圆偏振光产生的cpt叠加信号的中心频率也将大于拉莫尔进动频率。对于右旋圆偏振光而言，情况则刚好相反，由右旋圆偏振光产生的cpt叠加信号的中心频率也将小于拉莫尔进动频率。那么由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生的cpt叠加信号的频移大小相等，方向相反，两者差分之后，信号中心仍对应由真实磁场产生的拉莫尔进动频率f，且同时，抑制了光场噪声，减小了信号中的共模噪声。拉莫尔进动频率f与外磁场强度b关系如图10所示，得到拉莫尔进动频率f利用公式1计算外磁场强度b。

进一步分析提高磁力计灵敏度，传统磁力计灵敏度δb计算如下式所示：

其中，γ为原子旋磁比，δx代表cpt磁共振信号的半高全宽，snr为信号的信噪比。结合本实施例上式可改写成：

其中s为信号强度，n为噪声，由磁共振信号的微分信号可知，可以理解为共振点处信号的斜率的倒数，所以，磁共振信号的斜率越大，其灵敏度越高。

在本实例中光电探测器(10-1)置于原子气室(9)透明侧面用于探测原子气室(9)荧光强度，反馈模块(11)通过实时监测荧光强度数据以相应利用电光调制器(3)调制出射激光光强使得光电探测器(10-1)探测到的原子气室(9)荧光强度为恒定值。由cpt原理和荧光激发原理可知原子气室(9)荧光强度与cpt信号强度成负相关，这样电光调制器(3)调制激光光强使得原子气室(9)荧光强度恒定，就需要使cpt信号强时增加激光光强，cpt信号弱时减少激光光强，这将导致原来cpt信号强时变得更强，弱时变得更弱，增加cpt信号对比度，由于此时两个cpt信号频率间隔没变，从而增加了共振点斜率，即提高了该磁力仪灵敏度。