原子磁強計堿金屬氣室內溫度分布的測量裝置與方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種適用于SERF原子磁強計堿金屬氣室內溫度分布的測量裝置與方 法，屬于光學檢測、溫度探測技術領域。
【背景技術】
[0002] 磁場廣泛存在于自然界中，極弱磁場的精確探測有助于各領域研究者發現新現象 和探索新機理。近年來，隨著量子操控技術、光電檢測技術W及量子傳感技術的飛速發展， 利用原子自旋效應測量磁場已成為新的發展方向。超高靈敏的量子傳感器，諸如超導量子 干設儀、質子磁強計、光累磁強計、核磁共振磁強計等應運而生。在運些量子磁強計中，W無 自旋交互弛豫（Spin-ExchangeRelaxation-Free,SERF)理論為基礎的原子磁強計（W下 簡稱SERF原子磁強計）因其超高的理論靈敏度而備受國內外研究學者矚目。到目前為止， 在低頻磁場測量上，普林斯頓大學的Romalis小組仍舊保持著160aT/化I/2的最高靈敏度紀 5? 〇
[0003] SERF原子磁強計主要由光源系統，磁場屏蔽和產生系統，敏感表頭（堿金屬氣室） W及加熱系統。因此，SERF原子磁強計的主要誤差源被分為光、磁、氣室原子源、溫度等四 大部分，運些誤差源都會影響SERF原子磁強計的靈敏度。在光源方面，Cs原子磁強計光強 優化、光強對混合抽運原子磁強計的靈敏度的影響等方面均有深入研究；在磁場方面，磁場 在堿金屬氣室中的分布情況、磁屏蔽桶結構和屏蔽因子的優化設計、W及磁線圈的優化設 計等方面也有廣泛的研究；對于堿金屬氣室來說，不同堿金屬原子對靈敏度的影響、混合抽 運情況下堿金屬的配比與在線監測、W及堿金屬氣室的形狀和厚度的研究也正不斷深入研 究。但是，對于溫度方面的研究，尤其是對于溫度在堿金屬氣室中的分布情況和熱平衡時間 的研究還不夠全面和深入，目前，還未見相關文獻和公開報道。
[0004] 為解決上述問題，本發明提出一種適用于SERF原子磁強計堿金屬氣室內溫度分 布的測量裝置與方法。本方法僅依賴于光學深度理論，僅與兩束光的比值有關。由于不引 入額外的參數，本發明方法具有較高的精度。本發明可W為SERF原子磁強計評估堿金屬氣 室內部溫度分布情況和估算溫度熱穩態時間提供簡單有效且精度較高的測量方案，并可為 SERF原子磁強計靈敏度提升提供理論參考。

【發明內容】
陽0化]發明目的：針對現有技術中存在的問題，本發明立足于光學深度理論，提出一種SERF原子磁強計堿金屬氣室內溫度分布的測量裝置與方法，為提升SERF原子自旋磁強計 靈敏度提供了保障。
[0006] 技術方案：一種SERF原子磁強計堿金屬氣室內溫度分布的測量裝置，包括光源系 統、加熱系統、堿金屬氣室、信號檢測系統；所述光源系統用于產生測量堿金屬氣室內溫度 分布的激光，包括激光器、f波片、PBS、禪合器、NPBS，光闊、反光鏡；所述加熱系統用于加熱 .么' 堿金屬氣室；所述堿金屬氣室內封裝有堿金屬原子、惰性氣體和緩沖氣體；所述信號檢測 系統用于檢測表征堿金屬氣室內溫度分布的信號，包括兩個光電探測器、光學斬波器、兩個 鎖相放大器和示波器；
[0007] 激光器發出的激光經過!波片后再經過PBS被分為兩束，一束經禪合器后進入波 長計用于監測激光波長，另一束用于測量堿金屬氣室內溫度分布；用于測量堿金屬氣室內 溫度分布的激光經過光學斬波器調制后經由NPBS被分成兩束等光強的光，一束經光闊后 直接被第一光電探測器接收，再被第一鎖相放大器解調，由示波器顯示，此束激光光強亦等 同于進入堿金屬氣室前的激光光強，另一束經反射鏡反射再入射至堿金屬氣室，后由光第 二光電探測器接收，再被第二鎖相放大器解調，由示波器顯示。
[0008] 優選地，所述反光鏡和第二光電探測器處分別設有用于平移的Ξ維位移臺。
[0009] 優選地，所述加熱系統為烤箱，堿金屬氣室放置在其內部。
[0010] 本發明還提出一種SERF原子磁強計堿金屬氣室內溫度分布的測量方法，包括如 下步驟： W11] (1)系統準備開啟電加熱系統，將堿金屬氣室內部加熱至預設溫度值；
[0012] (2)開始測試：反光鏡和第二光電探測器平移0mm處為起始點，Xmm處為終止點， 且每間隔1mm設置一個測試點，將激光器調諧至遠失諧狀態，加熱半個小時候后，每個測試 點的堿金屬氣室前的光強信息與堿金屬氣室后的光強信息同時由示波器采集；在近失諧情 況下，每個測試點的堿金屬氣室前的光強信息與堿金屬氣室后的光強信息同時由示波器采 集；
[0013] (3)數據處理：在遠失諧情況下，用堿金屬氣室后的光強除W堿金屬氣室前的光 強，W獲得各測試點的參考信號；在近失諧情況下，用堿金屬氣室后的光強除W堿金屬氣室 前的光強，W獲得各測試點的測量信號；最后根據下式獲得各測試點的光學深度值：
[0014]
(5)
[0015] 式中，I(Z)為通過堿金屬氣室后的光強，I(0)為進入堿金屬氣室前的光強。
[0016] 基于上述測量裝置和方法步驟，本發明還提出一種SERF原子磁強計堿金屬氣室 內熱穩定時間的測量方法，包括如下步驟：
[0017] (1)開啟電加熱系統，將堿金屬氣室內部加熱至預設溫度值；
[001引 似把加熱溫度剛達設定溫度值時定義為"Omin"，在"Omin"時刻，開始測試各測 試點的光學深度值；
[0019] (3)每間隔十分鐘測試一次各測試點的光學深度值，直至各點光學深度值不再發 生變化；
[0020] (4)各點光學深度值不再發生變化則說明堿金屬氣室內部的溫度已達穩態，該時 間點即為堿金屬氣室內熱穩定時間。
[0021] 有益效果：本發明采用上述技術方案，具有如下優點：
[0022] (1)填補缺乏SERF原子磁強計堿金屬氣室內溫度分布的測量裝置與方法的空白；
[0023] (2)為原子磁強計評估原子密度分布和極化率分布提供有效參考；
[0024] (3)為提升SERF原子磁強計靈敏度提供保障。
【附圖說明】
[00巧]圖1為一種適用于SERF原子磁強計堿金屬氣室內溫度分布的測量裝置圖，其中：1 為激光器；2為^波片；3為PBS;4為禪合器；5為波長計；6為光學斬波器；7為NPBS;8為 光闊；9為第一Ξ維位移臺；10為反射鏡；11為烤箱；12為堿金屬氣室；13為第二Ξ維位移 臺；14為第二光電探測器；15為第二鎖相放大器；16為第一光電探測器；17為第一鎖相放 大器；18為示波器。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。
[0027] 如圖1所示，本發明提出一種SERF原子磁強計堿金屬氣室內溫度分布的測量裝 置，包括光源系統、烤箱11、堿金屬氣室12、信號檢測系統；所述光源系統用于產生測量堿 金屬氣室內溫度分布的激光，包括激光器1、f波片2、PBS3、禪合器4、NPBS7，光闊8、反光鏡 ':么 10 ;所述烤箱11用于加熱堿金屬氣室12 ;所述堿金屬氣室12內封裝有堿金屬原子、惰性氣 體和緩沖氣體，其放置于烤箱11內部；所述信號檢測系統用于檢測表征堿金屬氣室12內溫 度分布的信號，包括兩個光電探測器14, 16、光學斬波器6、兩個鎖相放大器15, 17和示波器 18 ;所述反光鏡和第二光電探測器處分別設有用于平移的Ξ維位移臺10, 13。
[0028] 激光器1發出的激光經過!波片2后再經過PBS3被分為兩束，一束經禪合器4后 進入波長計5用于監測激光波長，另一束用于測量堿金屬氣室內溫度分布；用于測量堿金 屬氣室內溫度分布的激光經過光學斬波器6調制后經由NPBS7被分成兩束等光強的光，一 束經光闊8后直接被第一光電探測器16接收，再被第一鎖相放大器解調17,由示波器18顯 示，此束激光光強亦等同于進入堿金屬氣室前的激光光強，另一束經反射鏡9反射再入射 至堿金屬氣室12,后由光第二光電探測器14接