一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置及方法

本发明涉及原子磁强计，特别是一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置及方法，通过声光调制器将一束失谐的抽运光改变成为调制光，所述调制光在实现原有抽运功能的基础上，同时产生一个光频移调制磁场来代替现有通过磁场线圈引入的调制磁场，从而有利于在实现全光构型的同时完成双轴磁场测量，能更好的应用于极弱磁场测量。

背景技术：

1、原子磁强计通过光抽运原子自旋极化实现磁场的精密测量，在基础物理研究、磁异常探测、生物医疗等领域有着广泛的应用。其中，基于serf(spin-exchange-relaxation-free，无自旋交换弛豫)效应的原子磁强计已超越超导量子干涉仪(superconductingquantum interference device，squid)成为目前磁场测量灵敏度最高的仪器，达到了亚ft量级，在极弱磁场测量例如心脑磁探测中发挥着巨大的作用。

2、常规的serf原子磁强计只能实现单轴磁场测量，通过磁场线圈引入高频调制磁场可以实现多轴磁场测量。但是该方法会增大自旋交换弛豫，降低磁场测量灵敏度。同时在阵列化serf原子磁强计应用中，该方法也会导致串扰。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置及方法，通过声光调制器将一束失谐的抽运光改变成为调制光，所述调制光在实现原有抽运功能的基础上，同时产生一个光频移调制磁场来代替现有通过磁场线圈引入的调制磁场，从而有利于在实现全光构型的同时完成双轴磁场测量，能更好的应用于极弱磁场测量。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，包括在抽运光路上设置的声光调制器aom，所述aom使抽运光成为调制光，所述调制光经过光纤准直器成为准直光，所述准直光经过第二线偏振片成为线偏振光，所述线偏振光经过1/4波片成为圆偏振光，所述圆偏振光进入碱金属气室一方面用于极化碱金属原子，另一方面作用于原子产生光频移现象，原子感受到一个时变的光频移调制磁场，所述光频移调制磁场用来代替磁场线圈产生的调制磁场作用于原子自旋进动，所述原子自旋进动通过检测光旋光效应产生的旋光角被用于实现双轴磁场测量。

4、所述aom的输入端连接第一激光器，所述aom的输出端通过第一反射镜连接光纤准直器，所述1/4波片通过第二反射镜连接所述碱金属气室，所述碱金属气室位于无磁电加热烤箱中。

5、所述检测光来自第二激光器，所述第二激光器依次通过第一线偏振片、所述碱金属气室和1/2波片连接偏振分光棱镜的输入侧，所述偏振分光棱镜的透射侧通过第一光电探测器连接差分放大器的正向输入端，所述偏振分光棱镜的反射侧依次通过第三反射镜和第二光电探测器连接所述差分放大器的负向输入端，所述差分放大器的输出端通过锁相放大器连接上位机，所述锁相放大器通过对所述差分放大器输出信号进行数据处理得到电子自旋表达式的直流分量和一次谐波分量，其中直流分量用于实现y方向磁场测量，一次谐波分量用于实现x方向磁场测量。

6、第一激光器用于产生调制光，调制光波长在所使用碱金属原子d1线附近失谐60ghz，第二激光器用于产生检测光，检测光波长在所使用碱金属原子d1线附近失谐150ghz。

7、所述碱金属气室中的原子工作在serf态下，碱金属原子密度处于1013～1014个/cm3量级，环境磁场处于1nt以下，工作温度由无磁电加热烤箱加热至160℃。

8、所述光频移调制磁场表示为blscos(ωmt)，其中bls为光频移调制磁场幅值，ωm为调制频率。

9、

10、其中bls为光频移调制磁场幅值，re为经典电子半径，c为光速，fd1为碱金属d1线振荡强度，γe为电子自旋的旋磁比，i为激光光强，a为激光光斑截面积，h为普朗克常量，υ为调制光频率，υd1为碱金属d1线中心频率，гd1为碱金属d1线压力展宽。

11、

12、

13、其中sx-dc(t)是随时间t变化的x轴电子自旋分量sx(t)的直流分量，sx-ωm(t)是sx(t)的一次谐波分量，γe为电子自旋的旋磁比，sz是z轴电子自旋分量，j0(β)为零阶第一类贝塞尔函数，j1(β)为1阶第一类贝塞尔函数，by0是y轴待测磁场，bx0是x轴待测磁场，rop0表示静态抽运率，rrel为弛豫率，ωm为调制频率，ropmod为动态调制抽运率幅值。

14、一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计实现方法，其特征在于，利用上述基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，在实现全光构型的同时完成双轴磁场测量。

15、包括通过改变激光器温度改变调制光频率，通过改变激光器注入电流改变激光光强，通过改变激光光斑截面积改变光频移调制磁场幅值。

16、本发明的技术效果如下：本发明是一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置及方法。常规的serf原子磁强计只能实现单轴磁场测量，通过磁场线圈引入高频调制磁场可以实现多轴磁场测量，但是常规方法会增大自旋交换弛豫，降低磁场测量灵敏度，同时在阵列化serf原子磁强计应用中，常规方法也会导致串扰。本发明是采用一束失谐的抽运光，通过声光调制器成为调制光，该光束在实现原有抽运功能的基础上，同时产生一个光频移调制磁场来代替现有通过磁场线圈引入的调制磁场，实现全光构型的同时可以完成双轴磁场测量，能更好的应用于极弱磁场测量。

17、本发明相对于现有技术的优势在于:采用光频移调制磁场代替磁场线圈产生的调制磁场，克服了磁场线圈产生调制磁场而引入额外自旋交换弛豫的问题以及阵列化应用中串扰的问题，在实现全光构型的同时还能完成双轴磁场测量，能更好的应用于极弱磁场测量。

技术特征：

1.一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，包括在抽运光路上设置的声光调制器aom，所述aom使抽运光成为调制光，所述调制光经过光纤准直器成为准直光，所述准直光经过第二线偏振片成为线偏振光，所述线偏振光经过1/4波片成为圆偏振光，所述圆偏振光进入碱金属气室一方面用于极化碱金属原子，另一方面作用于原子产生光频移现象，原子感受到一个时变的光频移调制磁场，所述光频移调制磁场用来代替磁场线圈产生的调制磁场作用于原子自旋进动，所述原子自旋进动通过检测光旋光效应产生的旋光角被用于实现双轴磁场测量。

2.根据权利要求1所述的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，所述aom的输入端连接第一激光器，所述aom的输出端通过第一反射镜连接光纤准直器，所述1/4波片通过第二反射镜连接所述碱金属气室，所述碱金属气室位于无磁电加热烤箱中。

3.根据权利要求1所述的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，所述检测光来自第二激光器，所述第二激光器依次通过第一线偏振片、所述碱金属气室和1/2波片连接偏振分光棱镜的输入侧，所述偏振分光棱镜的透射侧通过第一光电探测器连接差分放大器的正向输入端，所述偏振分光棱镜的反射侧依次通过第三反射镜和第二光电探测器连接所述差分放大器的负向输入端，所述差分放大器的输出端通过锁相放大器连接上位机，所述锁相放大器通过对所述差分放大器输出信号进行数据处理得到电子自旋表达式的直流分量和一次谐波分量，其中直流分量用于实现y方向磁场测量，一次谐波分量用于实现x方向磁场测量。

4.根据权利要求3所述的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，第一激光器用于产生调制光，调制光波长在所使用碱金属原子d1线附近失谐60ghz，第二激光器用于产生检测光，检测光波长在所使用碱金属原子d1线附近失谐150ghz。

5.根据权利要求1所述的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，所述碱金属气室中的原子工作在serf态下，碱金属原子密度处于1013～1014个/cm3量级，环境磁场处于1nt以下，工作温度由无磁电加热烤箱加热至160℃。

6.根据权利要求1所述的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，所述光频移调制磁场表示为blscos(ωmt)，其中bls为光频移调制磁场幅值，ωm为调制频率。

7.根据权利要求1所述的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，

8.根据权利要求3所述的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，其特征在于，

9.一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计实现方法，其特征在于，利用上述基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置，在实现全光构型的同时完成双轴磁场测量。

10.根据权利要求9所述的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计实现方法，其特征在于，包括通过改变激光器温度改变调制光频率，通过改变激光器注入电流改变激光光强，通过改变激光光斑截面积改变光频移调制磁场幅值。

技术总结
本发明涉及一种基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置及方法。常规的SERF原子磁强计只能实现单轴磁场测量，通过磁场线圈引入高频调制磁场可以实现多轴磁场测量。但是该方法会增大自旋交换弛豫，降低磁场测量灵敏度。同时在阵列化SERF原子磁强计应用中，该方法也会导致串扰。本发明公开的基于光频移调制的全光双轴原子磁强计装置及方法是采用一束失谐的抽运光，通过声光调制器成为调制光，该光束在实现原有抽运功能的基础上，同时产生一个光频移调制磁场来代替现有通过磁场线圈引入的调制磁场，实现全光构型的同时可以完成双轴磁场测量，能更好的应用于极弱磁场测量。

技术研发人员：韩邦成,李晓昱,陆吉玺,刘子傲,闫一凡
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13