提高原子磁力仪检测灵敏度的方法与流程

本发明涉及原子传感器领域，具体涉及一种提高原子磁力仪检测灵敏度的方法。

背景技术：

近些年来，随着量子理论、原子操控、现代光学以及微加工技术的发展，原子加速度计、原子磁力仪、原子陀螺等原子传感器越来越广泛的研究及应用。其中有一类原子磁力仪是通过检测光经过极化的碱金属原子气室后其某种特征量（如光强或偏振态等）的变化来探测磁场大小的。

下面以根据法拉第磁光效应通过检测光的偏振态的变化来探测磁场的方法为例进行阐述（这一方法已在原子磁力仪、原子自旋陀螺等技术中被广泛采用）。如图3所示，a为原子气室，气室内含有处于饱和蒸汽压的碱金属原子气体及其它所需功能气体，碱金属原子处于自旋极化状态（通常这一目标是由光泵浦作用来完成，圆偏振泵浦光被原子气室中的碱金属原子吸收，光子的角动量传递给碱金属原子，从而使碱金属原子最外层电子实现自旋极化）。某一特定频率的线偏振光穿过宽度为L的原子气室a，由于法拉第效应，出射光c的偏振方向相对于入射光b的偏振方向将旋转角度θ：

θ=kLB，

其中θ为旋转角，k为费尔德常数，L为原子气室的宽度，B为磁场强度。

由此可得：∆B=∆θ/(k· L)，其中∆θ是偏振方向角度旋转探测极限。

显然，∆θ越小、L越大，探测磁场强度B的灵敏度越高。尽量减小∆θ当然是必须的，然而减小∆θ因受限于线偏振光的线宽及信噪比等因素总有限度。那么当∆θ一定时，另一增大磁场探测灵敏度的办法就是增加原子气室的宽度L了，然而原子气室受其它因素制约不可能无限做大，尤其在小型化设计中更是不可能，这也使其成为一个似乎不可调和的矛盾。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在不改变原子气室尺寸的情况下使磁场探测灵敏度大幅提高的提高原子磁力仪检测灵敏度的方法。

本发明提供的这种提高原子磁力仪检测灵敏度的方法，包括如下步骤：

（1）、在原子气室的两侧放置两对称轴重合的凸面反射镜；

（2）、探测光以入射角α射入原子气室并在两凸面反射镜之间形成多次反射，入射角α的最小值为：

α=sin^-1[w/(2D)]

其中：w指探测光的宽度，D指探测光首次入射时两凸面反射镜与原子气室宽度方向相平行的间距；

（3）、探测光射出原子气室，利用磁场强度与探测光在原子气室内作用的总长度成正比的方法测出磁场强度值。

在所述步骤（3）中，探测光射出原子气室，进入偏振光振动方向检测系统，检测偏振方向转角θ，得到磁场强度B：

∆B=∆θ/(k· L0)

其中：k为费尔德常数，L0为探测光在原子气室内作用的总长度。

在所述凸面反射镜的表面镀有高反膜。

所述凸面反射镜为凸柱面反射镜或凸球面反射镜。

为保证探测光的入射和射出空间，至少有一个凸面反射镜的高度小于原子气室的高度。

所述探测光为线偏振光。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用反射镜让探测光在原子气室内形成多次反射，在不改变原子气室宽度的情况下增加探测光在原子气室的穿行距离，根据磁场强度与探测光在原子气室内作用的总长度成正比的方法即可更精确的得出磁场强度值，从而提高磁场检测灵敏度。

2、控制探测光的最小入射角α值，使探测光完全不被入射侧的反射镜遮挡，且经另一侧的反射镜反射后，反射光可完全落在入射侧的反射镜上，确保探测光的完整性，保证了磁场检测灵敏度。

3、将反射镜设计为凸曲面，在其对称轴上方，每次在原子气室内反射的入射角都在逐次减小，光束的下行距离也在逐次减小，使其能在同样的范围内更多次的来回反射，可实现在不改变原子气室高度的情况下增加探测光在原子气室的穿行距离，从而提高磁场检测灵敏度；当光束进入到两凸面反射镜的对称轴的下方后，其来回反射的入射角又逐次增大，当其最终离开原子气室的时候，其出射角又已大于α角而不会被反射镜遮挡而顺利输出，确保探测光的完整性，保证了磁场检测灵敏度。

4、可通过调整探测光的入射角和入射位置，获得任意指定的反射次数，更适合运用于特定的研究环境下。

本发明通过凸面反射镜对入射角的压缩作用大大增加了检测光在原子气室内的穿行次数，而每一来回穿行其作用就是现有技术的两倍，多次来回就是多个两倍，从而大幅度提高了原子磁力仪的检测灵敏度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中探测光的光束宽度与入射角的关系示意图。

图3为现有技术的结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、原子气室；2/3、凸面反射镜；4、探测光。

具体实施方式

本发明这种提高原子磁力仪检测灵敏度的方法，包括如下步骤：

（1）、在原子气室的两侧放置两对称轴重合的凸面反射镜，原子气室内含有处于饱和蒸汽压的碱金属原子气体及其它所需功能气体，碱金属原子处于自旋极化状态，至少有一个凸面反射镜的高度小于原子气室的高度；

（2）、探测光在小于原子气室高度一侧的凸面反射镜方，以入射角α射入原子气室内，探测光的光束穿过原子气室后经另一侧的凸面反射镜反射回来，再次穿过原子气室，该反射光又经入射侧的凸面反射镜反射，再次穿过原子气室射向另一侧凸面反射镜，如此反复，在两凸面反射镜之间形成多次反射，入射角α的最小值为：

α=sin^-1[w/(2D)]，

其中：w指探测光的宽度，D指探测光首次入射时两凸面反射镜与原子气室宽度方向相平行的间距；

（3）、探测光4射出原子气室1，利用磁场强度B与探测光4在原子气室1内作用的总长度L0成正比的方法测出磁场强度值。

在本发明中，在凸面反射镜2和3的表面均镀有高反膜，凸面反射镜2和3均为凸柱面反射镜或凸球面反射镜；探测光4为线偏振光，通常由激光光源、透镜组、起偏器等组成的光源组件产生。

从图1和图2可以看出，本发明这种提高原子磁力仪检测灵敏度的方法，包括如下步骤：

（1）、在原子气室1的两侧放置两对称轴重合的凸柱面反射镜2和3，凸面反射镜2和3的反射面相对布置；原子气室1内含有处于饱和蒸汽压的碱金属原子气体及其它所需功能气体，碱金属原子处于自旋极化状态，凸面反射镜2和3采用凸柱面反射镜，且凸面反射镜2和3的高度均小于原子气室1的高度，使凸面反射镜上下均留有探测光输入和输出原子气室的空间；

（2）、探测光4在凸面反射镜2侧的上方，以入射角α射入原子气室1内，探测光4的光束穿过原子气室1后经凸面反射镜3反射回来，再次穿过原子气室1， 该反射光又经凸面反射镜2反射，再次穿过原子气室1射向凸面反射镜3，如此反复，在两凸面反射镜2和3之间形成多次反射；其中，探测光4首次入射原子气室1时两凸面反射镜2和3与原子气室宽度L方向相平行的间距为D，探测光4在两凸面反射镜2和3间来回反射传播，设探测光4的宽度为w，要求探测光4完全不被凸面反射镜2遮挡，且经凸面反射镜3反射后，反射光完全落在凸面反射镜2上，则探测光4的最小入射角α为：

α=sin^-1[w/(2D)]。

（3）、探测光4射出原子气室1，进入偏振光振动方向检测系统，检测偏振方向转角θ，得到磁场强度B：

∆B=∆θ/(k· L0)

其中：k为费尔德常数，L0为探测光在原子气室内作用的总长度。

在上述步骤2中描述的反射过程，由于反射镜为凸曲面，在凸面反射镜2和3的对称轴上方，每次反射的入射角都在逐次压缩减小，光束的下行距离也在逐次减小，使探测光4能在同样高度的原子气室1内更多次的来回反射；当探测光4的光束进入到两凸面反射镜2和3的对称轴的下方后，其来回反射的入射角又逐次增大，当探测光4最终离开原子气室1的时候，探测光4的出射角已大于α角而不会被反射镜遮挡而顺利输出。