基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微弱磁场场强测量技术，具体为一种基于电磁感应透明效应测量微弱 磁场场强的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 磁场测量是对磁场有关参数的测量技术，主要测量对象有：磁场强度、磁通密度 等。测量恒定磁场的方法以及校准设备的主要有以下几种：利用磁场的力效应而制成的力 矩磁强计、通过磁通计、检流计利用冲击法测量软磁材料的磁通密度、磁通门磁强计、霍尔 效应磁强计及核磁共振磁强计、旋转线圈磁强计等等。磁场强度的精确测量的应用范围广 泛，对于测量数字设备表面或内部的磁场，防止其磁场的干扰，以及进行现有传感器和测 试设备的校准方面具有广泛的应用。对于现有的磁场测量方法和装置存在测量灵敏度不 高，对外界环境要求高，磁强计结构复杂、占用空间较大等问题。此外，这些传感器在参考测 量设备中的校准耗费很高，而且这些测量方法的误差大多为〇. 1% - 1%之间。同时传统的 测量技术在测量范围上也受到局限，较好的高精度空间磁通门磁力计，也只能测到〈1T的 稳定或低频交变磁场。因此发展新型的磁力计一直以来都是磁场测量领域亟待解决的问 题。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决目前磁力测量装置灵敏度不高且测量误差较大的技术问题，提供一 种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法及装置。
[0004] 本发明所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法是采用以下技术 方案实现的：一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的方法，包括如下步骤：(a)、 将一束探测光分成两束强度相同的平行光后均入射至内部充有碱金属原子的原子气室内， 两束探测光与碱金属原子作用后又从原子气室另一侧透射并同时被平衡探测器探测，获得 无多普勒背景的信号；(b)、引入一束耦合光入射至原子气室且与其中一束探测光反向共 线；所述探测光中心波长与碱金属原子的基态到第一激发态的跃迀共振，耦合光中心波长 与碱金属原子的第一激发态到高激发态的跃迀共振；（c)、扫描耦合光频率，平衡探测器就 可以获得关于探测光的电磁感应透明光谱；（d)、将原子气室置于待测磁场表面，如果在激 光经过的路线上存在外磁场，碱金属原子的各能级就会在磁场的作用下分裂成相应的磁子 能级；这样就可能存在多个能级跃迀组合，原本单个EIT光谱峰就会分裂为多个子EIT光谱 峰；通过标定子EIT光谱的峰值对应的能级跃迀组合，就可以计算出子EIT峰值之间的间 隔，即可以计算出在磁场强度作用B下，参与EIT效应的各能级分裂的大小；用此方法可以 通过测量各个子峰值之间的分裂，从而推导出磁场强度B。
[0005] 本发明所述方法的工作原理如下：高激发态（Rydberg)原子通常指外层一个电子 被激发到高量子态（主量子数n很大）的原子。高激发态原子具有原子半径大、自然寿命 长、能级间隔小、极化率高、对外界磁场特别敏感等特点，且高激发态态能级跃迀频率在微 弱磁场作用下非常明显，故非常适用于对磁场的测量。
[0006] 塞曼效应是指原子光谱线在外磁场中发生的分裂。原子外层的电子的轨道磁矩和 自旋磁矩耦合成总磁矩，并且空间取向是量子化的，因此原子在磁场作用下的附加能量不 同，引起能级分裂。在无外磁场时，原子在两个能级EJPE 2(E^E2)之间跃迀的能量差为：
[0007] A E = hv = E2-E1
[0008] 如果只考虑电子的磁矩对原子总磁矩的贡献，那么磁场引起的附加能量为：
[0009] AU= -U*B = -]izB=iiijgjUbB
[0010] 这里将磁感应强度B的方向取为z轴方向，1^是磁矩在z方向上的投影。Hi1是电 子总角动量J在z方向投影的量子数，可以取-J，-J+1，…J-l，J共2J+1个值，&是电子总 角动量的朗德因子，是玻尔磁子。
[0011] 这样，原子的每一个能级分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃迀的能量差 为：
[0012] A E' = hv' = E' 2-E' i= E fEi+Oiijygjy-mugu) Ii bB
[0013]原子总角动量F = I+J, J = L+S，本发明中选用基态，F = 4,激发态，F = 5,进行 测量（针对碱金属原子）。由于每一谱线会分裂成mF=2F+l条谱线。由于跃迀的选择定 则，参与跃迀的两个磁子能级的磁量子数必须满足：Am = 0, +1，-1。对于Am = +1，原子 在磁场方向上的角动量减少了一个?，由于原子和光子的角动量之和守恒，因此吸收的光 子具有与磁场方向相同的角动量ft,方向与电矢量旋转方向构成右手螺旋，称为〇 +偏振， 是左旋偏振光。反之，对于Am=-1，原子在磁场方向的角动量增加了一个士,光子具有与 磁场方向相反的角动量:|，方向与电矢量旋转方向构成左手螺旋，称为〇偏振，是右旋偏 振光。对于Am = O,原子在磁场方向的角动量不变，称为JT偏振。如果沿磁场方向观察， 只能观察到〇+和〇谱线的左旋偏振光和右旋偏振光，观察不到偏振的谱线。因此在 本方法中通过观察〇 +偏振和〇偏振光的吸收情况来进行测量。
[0014] 电磁感应透明（EIT)是指在激光场作用下，量子态之间发生的量子相干效应。例 如使用探测光（probe light)共振于碱金属原子基态和激发态，探测光与共振于碱金属原 子激发态到高激发态的强親合光（coupling light)相对穿过原子气室，共同作用在原子气 室中的碱金属原子上，构成一个三能级系统。当扫描强耦合光时，探测弱探测光可以获得电 磁感应透明光谱。当原子气室置于待测磁场表面，在激光经过的路线上存在外磁场，原子系 统中的三个能级的简并度会被破坏，三个能级将会在磁场作用下分别分裂成相应的磁子能 级，也就是说原有的三能级系统可以分裂成多个三能级跃迀组合，满足跃迀选择定则理论 的跃迀组合可以对应多个数目的子EIT光谱；如图3所示。能级分裂导致的磁子能级移动 满足的公式如下：
[0015] A = B y BgF。
[0016] 各个满足跃迀选择定则的磁子能级可以构成多个阶梯型三能级系统，实验中可以 获得相应数目的子EIT光谱，可以通过理论计算标定EIT光谱的峰值的频率找出对应的跃 迀组合，根据峰值位置计算出的峰值间隔宽度是三个能级总的能级移动，即由上述公式表 示的能级移动之和，因此根据上式可以推导出磁场强度B。
[0017] 进一步的，步骤（d)在测量获得多个不同的能级跃迀组合的光谱后，对多个峰值 间隔进行测量拟合，可以对所测量的磁场进行自校准。
[0018] 如图5所示，测量多个跃迀组合的峰值间隔进行拟合，就可以获得磁场的多个测 量值，因为测量值对于所有的跃迀组合的作用均是线性的，因此可以对所测量的磁场进行 校准。由于测量的分裂宽度与原子跃迀线的精度相联系，因此基于这种量子相干效应的测 量的精度和溯源性有很大提高。
[0019] 进一步的，碱金属原子为铯原子，探测光中心波长为852nm，耦合光的中心波长为 510nm〇
[0020] 原子气室内充铯（133Cs)原子，探测光共振于铯原子基态（6S 1/2, F = 4)到激发态 (6P3/2，F' = 5)，探测光与一束共振于铯原子激发态（6P3/2，F' = 5)到高激发态（47D5/2)的 親合光（coupling light)相对穿过原子气室，共同作用在气室中的原子上，当扫描强親合 光时，探测弱探测光可以获得电磁感应透明光谱。气室置于待测磁场表面，如果在激光经过 的路线上存在外磁场，原系统中简并的三个能级会被破坏，三个能级将会在磁场作用下分 裂成相应的磁子能级。对于铯原子（6S 1/2, F = 4) - (6P3/2, F' = 5) - (47D5/2)三个能级 磁子能级的能量移动由如下公式确定：
[0024] 对于高激发态，这里只考虑总角动量J。磁场作用下分裂的各磁子能级可以构成多 个阶梯型三能级系统，存在不同的能级跃迀组合（如图3)。相对应的可以获得多个子EIT 光谱；图4是实验获得的铯原子的EIT光谱，图4中的1、2、3、4、5、6各代表一个子EIT光 谱；通过标定EIT光谱的峰值对应的跃迀组合，计算出分裂间隔的宽度，从而推导出磁场强 度B。如测量出1、2之间的分裂间隔，该分裂间隔包含了对应于子EIT光谱1的跃迀组合发 生的能级移动以及对应于子EIT光谱2的跃迀组合发生的能级移动；因此根据测量出的1、 2之间的分裂间隔就可以获得关于这两个子EIT光谱的能级移动总和，而这两个子EIT光谱 的能级移动公式以及相关的参数都是已知的（除了待测磁场B)，这样就可以反推出待测磁 场B 0
[0025] 本发明所述的基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置是采用如下技术 方案实现的：一种基于电磁感应透明效应测量微弱磁场场强的装置，包括探测激光器、顺次 位于探测激光器出射光路上的第一 1/2玻片以及第一 PBS分光棱镜；第一 PBS分光棱镜的 反射光路上设有饱和吸收光谱稳频装置，饱和吸收光谱稳频装置的信号输出端与探测激光 器的电压控制端口相连接；第一 PBS分光棱镜的透射光路上顺次设有第二1/2玻片、第二 PBS分光棱镜、内充碱金属原子且侧壁上设有入射窗口和出射窗口的原子气室以及平衡探 测器；原子气室位于第二PBS分光棱镜的透射光路上；第二PBS分光棱镜的反射光路上设 有第一反射镜；第一反射镜的反射光路与第二PBS分光棱镜的透射光路平行并穿过原子气 室；还包括耦合光激光器，耦合光激光器的出射光路上设有移频装置，移频装置的出射光路 上顺次设有凸透镜和第二反射镜，第二反射镜的反射光路上设有位于原子气室和平衡探测 器之间的双色反射镜；双色反射镜的反射光路与第二PBS分光棱镜的透射光路反向重合； 所述探测激光器出射的探测光中心波长与碱金属原子的基态到第一激发态的跃迀共振，耦 合光激光器出射的耦合光中心波长与碱金属原子的第一激发态到高激发态的跃迀共振；所