一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布原位测量系统及方法
阅读说明：本技术 一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布原位测量系统及方法 (Alkali metal atom magnetometer spin polarizability spatial distribution in-situ measurement system and method ) 是由 李学文 郭强 张宁 王子轩 陆吉玺 孙畅 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布的原位测量系统及方法,属于精密测量的技术领域,系统主要由激光器、激光稳定系统、激光扩束系统、分光棱镜、偏振元件、磁屏蔽系统、碱金属原子气室、光弹调制器、光电探测器、CMOS传感器、数据采集分析处理系统等组成,本发明理论依据合理,实验操作简单,对磁测量系统正常工作不会带来额外系统扰动,能实现准确测得碱金属原子气室工作状态的电子极化率分布,有利于基于极化率分布测量结果提高原子磁强计测量灵敏度,为超高灵敏极弱磁测量装置的研制提供了基础。(The invention discloses an in-situ measurement system and a method for spin polarizability spatial distribution of an alkali metal atom magnetometer, which belong to the technical field of precision measurement.)
技术领域
本发明属于精密测量的技术领域，具体是一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间分布原位测量系统及方法。
背景技术
基于无自旋交换弛豫效应的碱金属原子磁强计因其超高的磁场测量灵敏度潜力而被广泛应用于基础物理研究，生物磁学测量等前沿领域。原子磁场计对极弱磁场测量的实现主要包含光抽运和原子自旋进动检测。光抽运即利用偏振激光从微观上改变碱金属原子核外电子在各个能级上的分布，从而实现原子自旋的宏观极化。自旋极化率则是表征原子被极化程度的物理量，是影响原子磁场测量装置的一个重要参量。原子自旋极化率的稳定性直接影响碱金属原子磁强计的标度因数的稳定性。测量系统中存在的温度梯度、碱金属原子密度梯度以及光场梯度的综合影响导致原子自旋极化率空间分布存在梯度差。目前限制碱金属原子磁强计磁场测量灵敏度持续提升而又亟待解决的最主要问题正是抑制原子自旋极化率梯度差。因此，实现对碱金属原子自旋极化率空间分布的准确测量对于提高自旋极化率稳定性均匀性进而提升磁场测量灵敏度具有重要意义。
目前，常用的测量碱金属原子自旋极化率的方法有电子顺磁共振法、抽运和衰减瞬变法、法拉第光旋信号法、减慢因子瞬态响应法等。但这些方法均存在一定的局限性，或者需要额外施加大强度磁场，或者只适用于低温状态，又或者存在瞬态信号的失真，均会影响磁测量装置的正常工作状态，无法实现对原子自旋极化率空间分布的原位测量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术问题，提供一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间二维分布的原位测量系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间二维分布的原位测量系统，包括按检测光前进方向依次设置的检测光激光器、检测光激光稳定系统、起偏器、平面反射镜、光弹调制器、检测光四分之一波片、碱金属原子气室、检偏器、光电探测器；以及另一方向按抽运光前进方向依次设置的抽运光激光器、抽运光激光稳定系统、抽运光扩束系统、偏振分光棱镜、偏振片、抽运光四分之一波片、碱金属原子气室、第二CMOS传感器，所述偏振分光棱镜的另一束折射光进入第一CMOS传感器；所述碱金属原子气室外部从内到外依次包覆有无磁电加热装置、隔热保温材料腔、磁补偿线圈、磁屏蔽系统；所述光电探测器、第一CMOS传感器、第二CMOS传感器传输数据给数据采集分析处理系统。
作为优选，所述检测光激光器和抽运光激光器分别为工作在对应碱金属原子D1和D2线的波长可调谐半导体激光器，满足碱金属原子磁强计对抽运/检测激光的频率功率需求。
作为优选，所述检测光激光稳定系统和抽运光激光稳定系统均包括激光功率稳定、激光频率稳定、激光指向性稳定以及激光光斑形态分布稳定。
作为优选，所述的碱金属原子气室为尺寸25×25×25 mm的立方形硼硅玻璃泡，气室内充有碱金属原子、缓冲气体和淬灭气体。
作为优选，所述第一CMOS传感器和第二CMOS传感器的有效接收面积为25×25 mm，保证入射/透射光斑能完全被接收，分辨率为2048×2048，400万像素分辨率，单个像素尺寸12.5 μm，实现对光斑能量分布进行微米像素级超高分辨率的数据读取与存储。
作为优选，所述数据采集分析处理系统包括锁相放大器、数据采集系统以及计算机，用于对检测激光信号进行解调放大，实现对极弱磁场的测量；对抽运激光衰减信息信号进行读取拟合处理，结合极化率与抽运光强的函数关系实现对碱金属原子自旋极化率的空间分布精密测量。
本发明还提供了基于上述系统的一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间二维分布的原位测量方法，包括以下步骤：
（1）检测光激光器发射检测激光，检测激光依次通过检测光激光稳定系统、起偏器、平面反射镜、光弹调制器、检测光四分之一波片、碱金属原子气室、检偏器、光电探测器，基于光弹调制器的高频调制作用以减小低频噪声对光旋角信号的影响，高频调制的检测光通过检偏器后，转变为光强变化的待解调信号被光电探测器接收；
（2）抽运光激光器发射抽运激光，抽运激光经过抽运光激光稳定系统实现激光功率、频率、光斑形态和指向性的稳定输出，经过抽运光扩束系统实现抽运光斑直径扩束到与碱金属原子气室相匹配大小，扩束后的抽运激光经偏振分光棱镜按比例分为两束，一束由第一CMOS传感器接收，用于监测入射光光强，另一束则依次经过偏振片、抽运光四分之一波片后以圆偏振态入射碱金属原子气室，实现对处于高温蒸汽化的碱金属原子的极化抽运，透射光则被第二CMOS传感器接收以监测出射光光强；
（3）数据采集分析处理系统收集光电探测器、第一CMOS传感器、第二CMOS传感器的数据，对光电探测器信号进行锁相放大转换，监测原子磁强计系统处于正常工作状态；对第一CMOS传感器、第二CMOS传感器记录的点阵数据进行实时对应像素点的读取及函数关系拟合，计算得到自旋极化率的点阵分布，实现对碱金属原子气室极化率微米像素级的空间分布的精密测量。
作为优选，所述第一CMOS传感器和第二CMOS传感器型号相同。
本发明基于碱金属原子对光的吸收作用，通过获取圆偏振态的抽运光与碱金属原子作用后的衰减信息来进行极化率测量，利用大尺寸高分辨率CMOS传感器对抽运光衰减信号进行像素级提取，通过对采集数据的分析拟合处理实现极化率像素级空间二维分布的原位测量。该极化率测量方法不会破坏原子磁强计的正常工作状态，也不会带来影响测量灵敏度的系统扰动。本发明理论依据合理，实验操作简单，对磁测量系统正常工作不会有任何系统扰动，有利于准确测得碱金属原子的电子极化率分布，为超高灵敏极弱磁测量装置的研制提供了基础。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为第一CMOS传感器和第二CMOS传感器的像素阵列结构及数据分布示意图。
图中：1-检测光激光器，2-检测光激光稳定系统，3-起偏器， 4-平面反射镜，5-光弹调制器，6-检测光四分之一波片，7-磁屏蔽系统，8-磁补偿线圈，9-隔热保温材料腔，10-无磁电加热装置，11-碱金属原子气室，12-抽运光激光器，13-抽运光激光稳定系统，14-激光扩束系统，15-偏振分光棱镜，16-偏振片，17-抽运光四分之一波片，18-第一CMOS传感器，19-检偏器，20-光电探测器，21-第二CMOS传感器，22-数据采集分析处理系统。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明提出一种碱金属原子磁强计自旋极化率空间二维分布的原位测量系统，包括按检测光前进方向依次设置的检测光激光器1、检测光激光稳定系统2、起偏器3、平面反射镜4、光弹调制器5、检测光四分之一波片6、碱金属原子气室11、检偏器19、光电探测器20；以及另一方向按抽运光前进方向依次设置的抽运光激光器12、抽运光激光稳定系统13、抽运光扩束系统14、偏振分光棱镜15、偏振片16、抽运光四分之一波片17、碱金属原子气室11、第二CMOS传感器21，所述偏振分光棱镜15的另一束折射光进入第一CMOS传感器18；所述碱金属原子气室11外部从内到外依次包覆有无磁电加热装置10、隔热保温材料腔9、磁补偿线圈8、磁屏蔽系统7；所述光电探测器20、第一CMOS传感器18、第二CMOS传感器21传输数据给数据采集分析处理系统22。
所述检测光激光器1发出检测激光依次通过检测光激光稳定系统2、起偏器3、平面反射镜4，光弹调制器5、检测光四分之一波片6、碱金属原子气室11、检偏器19、光电探测器20，基于光弹调制器的高频调制作用以减小低频噪声对光旋角信号的影响，高频调制的检测光通过检偏器后，转变为光强变化的待解调信号被光电探测器20接收。该信号最终通过数据采集分析处理系统22存储起来并进行解调放大实现极弱磁场信号测量。
所述抽运光激光器12出射激光束经抽运光激光稳定系统13实现激光功率、频率、光斑形态和指向性的稳定输出，经过激光扩束系统14实现抽运光斑直径扩束到与碱金属原子气室11相匹配大小，扩束后激光经偏振分光棱镜15 分为两束，一束激光由第一CMOS传感器18接收，用于监测入射光光强，另一束激光则先后经过偏振片16、抽运光四分之一波片17后以圆偏振态入射碱金属原子气室11，实现对处于高温蒸汽化的碱金属原子的极化抽运，透射光则被另一相同的第二CMOS传感器21接收以监测出射光光强。其中，所述的偏振分光棱镜15对抽运激光进行能量分束作用，分束只对激光功率进行按比例分束，功率分光比例稳定，且对激光频率、偏振态、光斑形态不带来影响。
在高密度碱金属原子与抽运光吸收极化作用后，圆偏振抽运光在与碱金属气室中传播时其衰减过程为：
；
其中，n为碱金属原子数密度， 为抽运光吸收截面，I(z)是在抽运光传播方向z 方向的抽运光光强， 是碱金属原子的自旋弛豫率。
根据原子极化率与激光抽运率和原子自旋弛豫率与激光强度关系，碱金属原子的极化率P(z)则可以表示为：
；
因此通过分别监测入射光光强I(0)、出射光光强I(z)，对比二者函数拟合关系即可实现对碱金属原子气室内的极化率测量。
所述第一CMOS传感器18、第二CMOS传感器21具有25×25 mm的感光区域，无需聚焦缩束即可实现对入射碱金属原子气室11光斑的完全接收，监测数据更为真实准确。传感器具有2048×2048的百万级像素分辨率，全局快门保证了像素阵列数据采集的同时性。第一CMOS传感器18、第二CMOS传感器21的像素阵列结构及数据分布示意图如附图2所示，每个像素单元对应一有效数据，所述第一CMOS传感器18各像素单元采集记录入射光光强分别记为（I11，I12，……，Inn），相应地，所述第二CMOS传感器21各像素单元采集记录透射过碱金属原子气室的出射光光强分别记为（I’ 11，I’ 12，……，I’ nn）。
所述数据采集分析处理系统22通过读取记录并存储入射光光强（I11，I12，……，Inn）和出射光光强（I’ 11，I’ 12，……，I’ nn），因此如上文所述通过对比入射光光强与出射光光强数据函数拟合关系即可测得极化率值，即对（I11，I’ 11）（I12，I’ 12）……（Inn，I’ nn）每组空间像素对应的数据点进行拟合分析测得极化率分布（P11，P12，……，Pnn），实现对碱金属原子气室极化率微米像素级的空间分布的精密测量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列，本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
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