阅读说明：本技术 一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统及方法 (System and method for testing spatial distribution uniformity of alkali metal atomic number density of atomic magnetometer ) 是由 郭强 李学文 张宁 陆吉玺 王子轩 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统及方法,该系统包括按光前进方向依次设置的检测激光器、激光扩束系统、偏振元件、磁屏蔽系统、碱金属原子气室、光束轮廓相机、分光棱镜等,该方法基于光学吸收原理,通过用像素为um级别的光束轮廓相机来测试通过碱金属气室前后的线偏光光强衰减,计算出原子数密度在空间上的二维分布矩阵,并用离散系数分析原子数密度分布的均匀性。本发明操作简单,易于实施,分辨率极高,可以在不改变原子磁强计光路的基础上直接测量,高精度的测试出原子数密度在空间分布的均匀性,有利于提高测量灵敏度,尤其是抑制多通道差分磁强计的共模干扰。(The invention discloses a system and a method for testing the spatial distribution uniformity of the atomic number density of alkali metal of an atomic magnetometer, wherein the system comprises a detection laser, a laser beam expanding system, a polarizing element, a magnetic shielding system, an alkali metal atom air chamber, a beam profile camera, a beam splitter prism and the like which are sequentially arranged according to the light advancing direction. The method has the advantages of simple operation, easy implementation and extremely high resolution, can directly measure the atomic magnetometer on the basis of not changing the optical path of the atomic magnetometer, tests the uniformity of atomic number density in spatial distribution with high precision, is favorable for improving the measurement sensitivity, and particularly inhibits the common mode interference of the multi-channel differential magnetometer.)

一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试 系统及方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体是一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统及方法。

背景技术

无自旋交换弛豫效应的碱金属原子磁强计有着极高的磁场测量灵敏度，在基础物理研究，生物医疗、地磁探测等领域得到了广泛的应用。碱金属原子气室是原子磁强计的核心器件，在使用时需要加热以提高碱金属蒸汽的原子数密度，这是因为原子数密度和输出信号的强弱和成正比，和基础灵敏度的平方成反比，所以原子数密度越大，输出信号越强，能够测量的最小磁场越小；且原子数密度较高时，原子间的碰撞破坏会被抑制。如果加热烤箱的温度分布不均匀，会导致原子数密度分布的不均匀，梯度差分检测的共模噪声会变大。

目前，常用的测试原子数密度的方法有法拉第光旋效应法、磁共振线宽法以及光谱吸收法：法拉第光旋角法需要施加很大的磁场，无法使磁强计工作在无自旋交换弛豫状态下；磁共振线宽法要求原子极化率很低，否则磁共振线宽还受到自旋破坏率影响。光谱吸收法较为常用，但也只能测试出气室原子数密度的整体数值，无法测量原子数密度的空间分布。因此无法分析均匀性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术问题，提出一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统及方法。

本发明通过以下技术方案来实现：一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统，包括按检测光前进方向依次设置的检测光激光器、激光扩束器、起偏器、光阑、分光棱镜、碱金属原子气室、第一光束轮廓相机，所述碱金属原子气室外部从内到外依次包覆有烤箱、真空腔、磁补偿线圈、磁屏蔽系统；所述的分光棱镜将检测光分成两束折射光，一束折射光经过碱金属原子气室后进入第一光束轮廓相机，另一束折射光进入第二光束轮廓相机。

作为优选，所述的第一光束轮廓相机的测试有效面积为11.3mm*11.3mm，共2048×2048个单元，每个单元的大小为5.5um。

作为优选，所述的第二光束轮廓相机的测试有效面积为11.3mm*11.3mm，共2048×2048个单元，每个单元的大小为5.5um。

作为优选，所述的碱金属原子气室为正立方体玻璃泡，保证在每个像素点上的光程一致，气室内滴入碱金属液体、并充有缓冲气体和淬灭气体。

作为优选，所述的检测光激光器产生的激光波长为所用碱金属原子的D1/D2线，满足光学吸收原理的频率要求。

作为优选，所述的磁屏蔽系统包括五层坡莫合金磁屏蔽桶和三轴亥姆霍兹线圈。

本发明还提供了一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试方法，具体如下：所述的检测光激光器输出的激光经过激光扩束器、起偏器、光阑和分光棱镜后，分成相同功率和形状的两束光，一束光进入第二光束轮廓相机，测量入射光的光强分布矩阵I(0)，另一束光穿过碱金属原子气室以及其外部的烤箱、真空腔、磁补偿线圈、磁屏蔽系统后，被第一光束轮廓相机接收，测量出射光的光强矩阵I(l)，用如下公式计算出原子数密度n在像素点阵上的矩阵：

上述公式中：r_e是经典原子半径，c是光速，f是谐振强度，Γ_L是压力展宽，l是光在气室内的行程；

将n写成矩阵形式

用离散系数法分析n分布的均匀性，计算公式如下：

σ是矩阵n的方差，X是矩阵n所有元素的平均值。

本发明基于光学吸收原理，通过用像素为um级别的光束轮廓相机测试通过碱金属原子气室前后的线偏光光强衰减，计算出原子数密度在空间上的二维分布，用离散系数法分析原子数密度分布的均匀性。本发明操作简单，易于实施，可在不改变原子磁强计原有光路的基础上直接实现，高精度的测试出原子数密度在空间分布的均匀性，有利于分析原子磁强计的灵敏度，尤其是抑制多通道差分磁强计的共模干扰。

附图说明

图1为本发明测试系统的结构示意图；

附图1标记列示如下：1-检测光激光器，2-激光扩束器，3-起偏器，4-光阑，5-分光棱镜，6-第二光束轮廓相机，7-磁屏蔽系统，8-磁补偿线圈，9-真空腔，10-第一光束轮廓相机，11-碱金属原子气室，12-烤箱。

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，本发明提出一种原子磁强计的碱金属原子数密度空间分布均匀性的测试系统，包括按检测光前进方向依次设置的检测光激光器1、激光扩束器2、起偏器3、光阑4、分光棱镜5、碱金属原子气室11、第一光束轮廓相机10，所述碱金属原子气室11外部从内到外依次包覆有烤箱12、真空腔9、磁补偿线圈8、磁屏蔽系统7；所述的分光棱镜5将检测光分成两束折射光，一束折射光经过碱金属原子气室11后进入第一光束轮廓相机10，另一束折射光进入第二光束轮廓相机6，碱金属原子气室11放置在烤箱12内部，通过控制烤箱12温度来改变碱金属原子气室11内部，烤箱12放置在真空腔9内部，磁屏蔽系统7保证碱金属原子气室11处在无磁环境下。

所述的检测光激光器1发出的检测光经过激光扩束器2、起偏器3、光阑4，起偏器3的作用是保证激光为线偏振光，光阑4使检测光形成适合于碱金属原子气室11大小的圆形光斑，之后经过分光棱镜5，分成相同功率和形状的两束光，一束光进入光束轮廓相机6，测量入射光的光强在2048*2048个单元上的光强分布矩阵I(0)，另一束光通过带烤箱的气室后，被光束轮廓相机10接收，测量出射光的光强矩阵I(l)。用如下公式计算出原子数密度n在像素点阵上的矩阵，即原子数密度在空间上的二维分布，其中r_e是经典原子半径；c是光速，f是谐振强度，Γ_L是压力展宽，l是光在气室内的行程，也就是气室的直径；

上述公式中：r_e是经典原子半径，c是光速，f是谐振强度，Γ_L是压力展宽，l是光在气室内的行程；

将n写成矩阵形式

用离散系数法分析n分布的均匀性，计算公式如下：

σ是矩阵n的方差，X是矩阵n所有元素的平均值。

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。