一种提高cpt原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法
【专利摘要】本发明公开一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法。该方法是恒温下将弱磁场探头置于待测磁场中；调节激光器控制电路，保持激光波长稳定，且保持激光波长与碱金属原子基态能级共振；将二分之一波片、偏振分束棱镜垂直置于激光，调节二分之一波片光轴与激光偏振的角度；将四分之一波片垂直于两束平行激光；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，平行激光的偏振分别变为左旋圆偏振和右旋圆偏振；两个光电转换器件对左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光探测，将探测到的光强值经减法器相减，经数据采集处理设备采集、信号处理，得到待测磁场的磁感应强度。本发明的优点是操作简单、灵敏度高、精度高。
【专利说明】一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法
【技术领域】
[0001]本发明属于弱磁测量【技术领域】，涉及一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法，用于提高CPT (Coherent Population Trapping)原子磁力仪的灵敏度和绝对精度。
【背景技术】
[0002]在现代科技中，微弱磁场的探测是一项非常重要的技术。目前，原子磁力仪作为主要的微弱磁场探测仪器之一，种类主要有质子磁力仪、光泵磁力仪、CPT磁力仪等等，其中有的灵敏度较高，但绝对精度较差，有的具有高绝对精度，但灵敏度较低，无法同时保证磁力仪的灵敏度和绝对精度性能。现有的应用于原子磁力仪的技术中，没有可以同时提高灵敏度和绝对精度的技术方法,传统的差分方法由于使用含有磁场信息和不含有磁场信息的两个信号相减，只能提高原子磁力仪的灵敏度，无法提高其绝对精度。
【发明内容】
[0003]为了克服现有原子磁力仪无法同时保证高灵敏度和高绝对精度的问题，本发明提供了一种用于同时提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法。这种差分方法通过使用两个均含有磁场信息的信号相减，可以同时优化CPT原子磁力仪的灵敏度和绝对精度性能。
[0004]本发明的工作机理是:在待测磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，分裂情况与待测磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若激光频率与分裂的碱金属原子基态能级完全共振，则碱金属原子对激光的吸收率最低，测量透射光强大小与激光频率的关系可以得到待测磁场大小。受非磁场因素的影响，在同一待测磁场下，由偏振正交的两束圆偏振光测量到的透射光强与激光频率的关系存在差异，若将这两个信号进行差分，不仅可以消除共模噪声，提高仪器灵敏度，还可以去除非磁场因素对测量磁场的影响，提高仪器的绝对精度。
[0005]CPT原子磁力仪包括激光光源、弱磁场探头、信号探测器；激光光源、弱磁场探头、信号探测器通过激光光路连接；
[0006]所述的激光光源由半导体激光器、激光器控制电路、二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片构成；
[0007]激光器控制电路控制半导体激光器发射出激光，激光依次透过二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片、弱磁场探头；
[0008]所述的激光控制电路由电流源、温度控制器、微波源、信号发生器构成，其中电流源与温度控制器直接控制半导体激光器，信号发生器的输出信号用于调制微波源，经过调制后的微波信号由微波源输出给半导体激光器。
[0009]所述的弱磁场探头由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成；
[0010]所述的信号探测器由两个光电转换器件、减法器、数据采集处理设备构成；[0011]两个光电转换器件采集透过弱磁场探头的光束的电信号，然后传递给减法器、数据采集处理设备处理。
[0012]本发明对CPT原子磁力仪的调节方法具体是:
[0013]步骤(1).保持恒温状态下，将弱磁场探头置于待测磁场中；
[0014]步骤(2).调节激光光源:
[0015]调节激光器控制电路中电流源、温度控制器、微波源、信号发生器，保持半导体激光器发射出的激光波长稳定，且使得半导体激光器发射出的激光波长与弱磁场探头中碱金属原子基态能级共振；将二分之一波片、偏振分束棱镜均垂直置于激光光束方向；激光波长均在所选的二分之一波片与偏振分束棱镜的波长范围内；调节二分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器发射出的一束激光经偏振分束棱镜分开后形成的两束平行激光光强相等；将四分之一波片垂直于两束平行激光的传播方向；激光波长均在所选的四分之一波片的波长范围内；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得两束平行激光的偏振分别变为左旋圆偏振和右旋圆偏振；调节弱磁场探头的位置，使左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光透过弱磁场探头；
[0016]步骤(3).调节信号探测器:
[0017]两个光电转换器件分别对透过弱磁场探头的左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件探测到的光强值与信号发生器输出信号频率的关系，关系如公式(I)、公式⑵:
【权利要求】
1.一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤(1).保持恒温状态下，将弱磁场探头置于待测磁场中； 步骤(2).调节CPT原子磁力仪中的激光光源: 激光光源由半导体激光器、激光器控制电路、二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片构成； 首先调节激光器控制电路中电流源、温度控制器、微波源、信号发生器，保持半导体激光器发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器发射出的激光波长与弱磁场探头中碱金属原子基态能级共振；将二分之一波片、偏振分束棱镜均垂直置于激光光束方向；调节二分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器发射出的一束激光经偏振分束棱镜分开后形成的两束平行激光光强相等；将四分之一波片垂直于两束平行激光的传播方向；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得两束平行激光的偏振分别变为左旋圆偏振和右旋圆偏振；调节弱磁场探头的位置，使左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光透过弱磁场探头； 步骤(3).调节CPT原子磁力仪中的信号探测器: 信号探测器由两个光电转换器件、减法器、数据采集处理设备构成； 两个光电转换器件分别对透过弱磁场探头的左旋圆偏振激光、右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件探测到的光强值与信号发生器输出信号频率的关系，关系如公式(I)、公式(2):
2.如权利要求1所述的一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法，其特征在于弱磁场探头由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成。
3.如权利要求1所述的一种提高CPT原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法，其特征在于激光波长在二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片的波长范围内。
【文档编号】G01R33/032GK103744034SQ201310753433
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】梁尚清, 杨国卿, 徐云飞, 林强 申请人:浙江大学, 中国国土资源航空物探遥感中心