一种碱金属原子自旋全光学控制系统及探测方法

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种碱金属原子自旋全光学控制系统及探测方法。

背景技术

非零的原子自旋具有磁矩，在磁场扭矩的作用下会以固定的频率绕磁场方向进动，且该进动频率与磁场强度的大小成正比，因此，可以通过观测原子自旋的进动频率得到原子所处环境的磁场信息。

原子磁力仪以钾、铷、铯等碱金属原子为工作物质，利用碱金属原子自旋在磁场中的磁共振效应进行磁场测量。为实现磁场测量，原子磁力仪中的碱金属原子自旋需要经历三个主要的物理过程：(1)实现原子自旋光极化，通过吸收泵浦激光光子携带的特定角动量，使碱金属原子最外层电子处于特定的塞曼子能级；(2)碱金属原子自旋在环境磁场中产生磁共振，共振频率正比于环境磁场强度；(3)对原子自旋的共振频率进行检测，以共振频率大小解算环境磁场强度。为了能够获得较强的碱金属原子自旋进动信号，需要利用各种调控手段将微观的碱金属原子自旋磁矩转化为宏观的磁化强度矢量，简而言之就是将原子系综中单个原子的无序行为通过外部物理场束缚为大量原子的有序行为。此时测量得到的原子磁力仪输出信号为参与测量的碱金属原子自旋的总和。

除了必须的光场调控外，现有原子磁力仪普遍通过施加多种物理场实现碱金属原子自旋各个阶段的调控，原子磁力仪整体系统结构较为复杂，难以实现小型化和精准控制。因此，如何有效整合碱金属原子自旋调控手段是现有技术中急需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种碱金属原子自旋全光学控制系统及探测方法，利用光与原子的相互作用，以光调制手段实现碱金属原子自旋光极化、维持碱金属原子自旋在环境磁场中的磁共振、读取原子自旋的共振频率。该系统用光场实现原子磁力仪中所有物理过程的调控，能够解决碱金属原子自旋调控中时钟对准这一难题；本发明采用独立的泵浦光调制和探测光调制结构，利用泵浦光调制产生碱金属原子自旋共振激励信号，利用探测光进行碱金属原子自旋进动信号检测，能够有效避免原子自旋进动频率测量信号中激励信号频率的影响，获得更加准确的磁场测量结果；本发明光学控制系统结构简单，易于实现系统集成化。具体技术方案如下：

一种碱金属原子自旋全光学控制系统，包括泵浦光路模块、探测光路模块、光调制模块、原子气室、温度控制模块和信号分析显示模块；

所述光调制模块用于产生碱金属原子自旋极化调控信号、碱金属原子自旋共振激励信号和碱金属原子自旋检测调控信号，其包括泵浦光调制元件、泵浦光调制控制器、探测光调制元件和探测光调制控制器；所述泵浦光调制控制器的输出端与泵浦光调制元件相连，用于产生泵浦光调制元件的驱动信号；所述探测光调制控制器的输出端与探测光调制元件相连，用于产生探测光调制元件的驱动信号；

所述泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化原子气室中的碱金属原子介质，其包括泵浦激光控制器、泵浦激光器、第一分光片、第一二分之一波片、第一偏振分光镜、第一光电探测器、反射镜、第一扩束镜、第一起偏器和四分之一波片；所述泵浦激光器用于发射泵浦激光；所述第一分光片用于将泵浦激光分为泵浦光第一光束和泵浦光第二光束；所述泵浦激光控制器设置在泵浦光第一光束的光路上并用于实现对泵浦激光器的泵浦激光频率的选择及锁定；所述泵浦光调制元件和第一二分之一波片顺次设置在泵浦光第二光束的光路上；所述第一偏振分光镜用于将泵浦光第二光束分为泵浦光第三光束和泵浦光主光束，且所述第一二分之一波片位于泵浦光调制元件和第一偏振分光镜之间，所述第一二分之一波片用于调整泵浦光第三光束和泵浦光主光束的光功率；第一光电探测器用于接收探测泵浦光第三光束；所述反射镜、第一扩束镜、第一起偏器和四分之一波片顺次设置在泵浦光主光束的光路上，反射镜用于调整泵浦光主光束行进的方向，所述第一扩束镜用于扩大泵浦光主光束的光斑尺寸，所述第一起偏器和四分之一波片用于调整进入原子气室的泵浦光主光束的偏振状态；

所述探测光路模块用于产生探测激光，所述探测激光经过原子气室中的碱金属原子介质实现磁场信号探测，其包括探测激光控制器、探测激光器、第二分光片、第二二分之一波片、第二偏振分光镜、第二光电探测器、第二扩束镜、第二起偏器、聚焦透镜、第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器；所述探测激光器发射探测激光，第二分光片用于将探测激光分为探测光第一光束和探测光第二光束；所述探测激光控制器设置在探测光第一光束的光路上并用于实现对探测激光器的探测激光频率的选择及锁定；所述探测光调制元件和第二二分之一波片顺次设置在探测光第二光束的光路上，所述第二偏振分光镜用于将探测光第二光束分为探测光第三光束和探测光主光束，且所述第二二分之一波片位于探测光调制元件和第二偏振分光镜之间，用于调整探测光第三光束和探测光主光束的光功率；所述第二光电探测器用于接收探测光第三光束；所述第二扩束镜和第二起偏器顺次设置在探测光主光束的光路上，所述第二扩束镜用于扩大探测光主光束的光斑尺寸，所述第二起偏器用于调整进入原子气室的探测光主光束的偏振状态；所述聚焦透镜用于汇聚经过原子气室的探测光主光束，探测光主光束经过第三二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，所述第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器用于检测探测光主光束偏振方向的变化；

所述温度控制模块用于控制原子气室的温度；

所述信号分析控制模块用于控制光调制模块的驱动信号和解算探测得到磁场信号，其分别连接泵浦光调制控制器、探测光调制控制器、第一光电探测器、第二光电探测器以及平衡探测器连接。

优选的，平衡探测器为平衡光电探测器，其输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。

优选的，所述温度控制模块包括无磁温度传感器、电加热片和温度控制器，所述无磁温度传感器用于监测原子气室的温度，电加热片用于加热原子气室；无磁温度传感器和电加热片均与温度控制器连接，所述温度控制器用于接收无磁温度传感器的温度测量信号并向电加热片输出对应的温度控制信号。

优选的，所述信号分析显示模块包括转换电路和数据处理服务器；

所述转换电路的模数转换输入端分别于与第一光电探测器的输出端、第二光电探测器的输出端以及平衡探测器的差分输出端相连；所述转换电路的数模转换输出端分别与泵浦光调制控制器的输入端和探测光调制控制器的输入端连接；所述数据处理服务器与转换电路连接。

本发明公开的基于上述碱金属原子自旋全光学控制系统的探测方法，包括以下步骤：

步骤一、按照激光经过顺序以及设备间连接关系将碱金属原子自旋全光学控制系统组装好；

步骤二、泵浦激光器发射的泵浦激光经过第一分光片分为泵浦光第一光束和泵浦光第二光束，其中：泵浦光第一光束反馈给泵浦激光控制器用于实现对泵浦激光频率的选择及锁定；泵浦光第二光束经过泵浦光调制元件调制后被第一二分之一波片和第一偏振分光镜分为泵浦光第三光束和泵浦光主光束，泵浦光第三光束被第一光电探测器接收，将光信号转化为电信号，用于泵浦光功率稳定控制；泵浦光主光束经过第一扩束镜扩大光斑尺寸，再经过第一起偏器和四分之一波片后由线偏振光转化为圆偏振光，辐照原子气室；

探测激光器发射的探测激光经过第二分光片后分为探测光第一光束和探测光第二光束，其中：探测光第一光束光路反馈给探测激光控制器用于实现对探测激光频率的选择及锁定，探测光第二光束经过探测光调制元件调制后被第二二分之一波片和第二偏振分光镜分为探测光第三光束和探测光主光束，探测光第三光束被第二光电探测器接收，将光信号转化为电信号，用于探测光功率稳定控制；探测光主光束经过第二扩束镜扩大光斑尺寸，经过第二起偏器后穿过原子气室，透射的探测光束被聚焦透镜汇聚，经过第三二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，所述第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器，实现偏振方向变化频率的检测；

步骤三、数据处理服务器经过转换电路分布采集第一光电探测器输出的泵浦光第三光束功率变化变化，与目标光功率比较，经过转换电路反馈输出偏置控制信号给泵浦光调制控制器，控制通过泵浦光调制元件输出的泵浦光主光束光功率，调控原子气室中碱金属原子自旋极化；

信号分析显示模块中转换电路控制泵浦光调制控制器产生频率在碱金属原子自旋共振频率附近变化的正弦驱动信号，控制通过泵浦光调制元件输出的泵浦光主光束光功率在碱金属原子自旋共振频率附近变化，激励原子气室中碱金属原子自旋的磁共振；

信号分析显示模块中数据处理服务器经过转换电路输出载波信号给探测光调制控制器，控制通过探测光调制元件输出的探测光主光束光功率以载波频率发生变化，同时信号分析显示模块中数据处理服务器经过转换电路采集平衡探测器输出的探测激光偏振方向变化信号，信号分析显示模块中数据处理服务器将测量得到的探测激光偏振方向变化信号在载波频率处解调，得到原子气室中碱金属原子自旋的进动频率，实现磁场信号测量；

步骤二至步骤三中，温度控制模块中温度控制器用于接收无磁温度传感器的温度测量信号并向电加热片输出对应的温度控制信号，实现对原子气室的温度进行控制。

优选的，所述温度控制器内设闭环控制方式。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例碱金属原子自旋全光学控制系统的结构原理图；

图2是本发明实施例碱金属原子自旋全光学控制系统的结构示意图；

其中，1-泵浦光路模块，101-泵浦激光控制器，102-泵浦激光器，103-第一分光片，104-第一二分之一波片，105-第一偏振分光镜，106-第一光电探测器，107-反射镜，108-第一扩束镜，109-第一起偏器，110-四分之一波片；

2-探测光路模块，201-探测激光控制器，202-探测激光器，203-第二分光片，204-第二二分之一波片，205-第二偏振分光镜，206-第二光电探测器，207-第二扩束镜，208-第二起偏器，209-聚焦透镜，210-第三二分之一波片，211-沃拉斯顿棱镜，212-平衡探测器；

3-光调制模块，301-泵浦光调制元件，302-泵浦光调制控制器，303-探测光调制元件，304-探测光调制控制器；

4-原子气室；

5-温度控制模块，501-无磁温度传感器，502-电加热片，503-温度控制器；

6-信号分析显示模块，601-转换电路，602-数据处理服务器；

1A-泵浦光第一光束，1B-泵浦光第二光束，1C-泵浦光第三光束，1D-泵浦光主光束；2A-探测光第一光束，2B-探测光第二光束，2C-探测光第三光束，2D-探测光主光束。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例：

参见图1，一种碱金属原子自旋全光学控制系统，其包括泵浦光路模块1、探测光路模块2、光调制模块3、原子气室4、温度控制模块5和信号分析显示模块6，所述泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化原子气室中的碱金属原子介质；所述探测光路模块用于产生探测激光，所述探测激光经过原子气室中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述光调制模块用于产生碱金属原子自旋极化调控信号、碱金属原子自旋共振激励信号和碱金属原子自旋检测调控信号；所述温度控制模块用于控制原子气室处的温度；所述信号分析控制模块分别连接光调制模块、探测光路模块以及泵浦光路模块，所述信号分析控制模块用于控制光调制模块的驱动信号和解算探测得到磁场信号。

本实施例的碱金属原子自旋全光学控制系统具体结构详见图2，如下：

所述光调制模块3包括泵浦光调制元件301、泵浦光调制控制器302、探测光调制元件303和探测光调制控制器304；所述泵浦光调制控制器302的输出端与泵浦光调制元件301相连，用于产生泵浦光调制元件301的驱动信号；所述探测光调制控制器304的输出端与探测光调制元件303相连，用于产生探测光调制元件303的驱动信号。

所述泵浦光路模块1包括泵浦激光控制器101、泵浦激光器102、第一分光片103、第一二分之一波片104、第一偏振分光镜105、第一光电探测器106、反射镜107、第一扩束镜108、第一起偏器109和四分之一波片110，详情是：

所述泵浦激光器102用于发射泵浦激光；

所述第一分光片103用于将泵浦激光分为泵浦光第一光束1A和泵浦光第二光束1B；所述泵浦激光控制器101设置在泵浦光第一光束1A的光路上并用于实现对泵浦激光器102的泵浦激光频率的选择及锁定；

所述泵浦光调制元件301和第一二分之一波片104顺次设置在泵浦光第二光束1B的光路上；所述第一偏振分光镜105用于将泵浦光第二光束1B分为泵浦光第三光束1C和泵浦光主光束1D，且所述第一二分之一波片104位于泵浦光调制元件301和第一偏振分光镜105之间，所述第一二分之一波片104用于调整泵浦光第三光束1C和泵浦光主光束1D的光功率，所述泵浦光调制元件301用于调制进入原子气室4的泵浦光功率；

第一光电探测器106用于接收探测泵浦光第三光束1C；

所述反射镜107、第一扩束镜108、第一起偏器109和四分之一波片110顺次设置在泵浦光主光束1D的光路上，反射镜107用于调整泵浦光主光束1D行进的方向，所述第一扩束镜108用于扩大泵浦光主光束1D的光斑尺寸，所述第一起偏器109和四分之一波片110用于调整进入原子气室4的泵浦光主光束1D的偏振状态。

所述探测光路模块2用于产生探测激光，所述探测激光经过原子气室4中的碱金属原子介质实现磁场信号探测，其包括探测激光控制器201、探测激光器202、第二分光片203、第二二分之一波片204、第二偏振分光镜205、第二光电探测器206、第二扩束镜207、第二起偏器208、聚焦透镜209、第三二分之一波片210、沃拉斯顿棱镜211和平衡探测器212，详情如下：

所述探测激光器202发射探测激光；

第二分光片203用于将探测激光分为探测光第一光束2A和探测光第二光束2B；所述探测激光控制器201设置在探测光第一光束2A的光路上并用于实现对探测激光器202的探测激光频率的选择及锁定；

所述探测光调制元件303和第二二分之一波片204顺次设置在探测光第二光束2B的光路上，所述第二偏振分光镜205用于将探测光第二光束2B分为探测光第三光束2C和探测光主光束2D，所述第二二分之一波片204位于探测光调制元件303和第二偏振分光镜205之间，用于调整探测光第三光束2C和探测光主光束2D的光功率，所述探测光调制元件303用于调制进入原子气室4的探测光功率；

所述第二光电探测器206用于接收探测光第三光束2C；

所述第二扩束镜207和第二起偏器208顺次设置在探测光主光束2D的光路上，所述第二扩束镜207用于扩大探测光主光束2D的光斑尺寸，所述第二起偏器208用于调整进入原子气室的探测光主光束2D的偏振状态；所述探测光主光束2D用于经过原子气室4实现磁场信号探测；所述聚焦透镜209用于汇聚经过原子气室4的探测光主光束2D，探测光主光束2D经过第三二分之一波片210和沃拉斯顿棱镜211后被平衡探测器212接收，所述第三二分之一波片210、沃拉斯顿棱镜211和平衡探测器212用于检测探测光主光束2D偏振方向的变化。此处平衡探测器212为平衡光电探测器，其输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。

所述温度控制模块5用于控制原子气室4的温度，其包括无磁温度传感器501、电加热片502和温度控制器503，所述无磁温度传感器501用于监测原子气室4的温度，电加热片502用于加热原子气室4；无磁温度传感器501和电加热片502均与温度控制器503连接，所述温度控制器503用于接收无磁温度传感器501的温度测量信号并向电加热片502输出对应的温度控制信号。

所述信号分析控制模块6用于控制光调制模块的驱动信号和解算探测得到磁场信号，其包括转换电路601和数据处理服务器602；所述转换电路601的模数转换输入端分别于与第一光电探测器106的输出端、第二光电探测器206的输出端以及平衡探测器212的差分输出端相连；所述转换电路106的数模转换输出端分别与泵浦光调制控制器302的输入端和探测光调制控制器304的输入端连接；所述数据处理服务器602与转换电路601。

应用本实施例的所述碱金属原子自旋全光学控制系统进行探测，包括以下步骤：

步骤一、按照激光经过顺序以及设备间连接关系将碱金属原子自旋全光学控制系统组装好；

步骤二、泵浦激光器发射的泵浦激光经过第一分光片分为泵浦光第一光束和泵浦光第二光束，其中：泵浦光第一光束反馈给泵浦激光控制器用于实现对泵浦激光器的泵浦激光频率的选择及锁定；泵浦光第二光束经过泵浦光调制元件调制后被第一二分之一波片和第一偏振分光镜分为泵浦光第三光束和泵浦光主光束，泵浦光第三光束被第一光电探测器接收，将光信号转化为电信号，用于泵浦光功率稳定控制；泵浦光主光束经过第一扩束镜扩大光斑尺寸，再经过第一起偏器和四分之一波片后由线偏振光转化为圆偏振光，辐照原子气室；

探测激光器发射的探测激光经过第二分光片后分为探测光第一光束和探测光第二光束，其中：探测光第一光束光路反馈给探测激光控制器用于实现对探测激光频率的选择及锁定，探测光第二光束经过探测光调制元件调制后被第二二分之一波片和第二偏振分光镜分为探测光第三光束和探测光主光束，探测光第三光束被第二光电探测器接收，将光信号转化为电信号，用于探测光功率稳定控制；探测光主光束经过第二扩束镜扩大光斑尺寸，经过第二起偏器后穿过原子气室，透射的探测光束被聚焦透镜汇聚，经过第三二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，所述第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器，实现偏振方向变化频率的检测；

步骤三、数据处理服务器经过转换电路分布采集第一光电探测器输出的泵浦光第三光束功率变化变化，与目标光功率比较，经过转换电路反馈输出偏置控制信号给泵浦光调制控制器，控制通过泵浦光调制元件输出的泵浦光主光束光功率，调控原子气室中碱金属原子自旋极化；

数据处理服务器经过转换电路控制泵浦光调制控制器产生频率在碱金属原子自旋共振频率附近变化的正弦驱动信号，控制通过泵浦光调制元件输出的泵浦光主光束光功率在碱金属原子自旋共振频率附近变化，激励原子气室中碱金属原子自旋的磁共振；

数据处理服务器经过转换电路输出载波信号给探测光调制控制器，控制通过探测光调制元件输出的探测光主光束光功率以载波频率发生变化，同时数据处理服务器经过转换电路采集平衡探测器输出的探测激光偏振方向变化信号，数据处理服务器将测量得到的探测激光偏振方向变化信号在载波频率处解调，得到原子气室中碱金属原子自旋的进动频率，实现磁场信号测量；

本实施例中温度控制器用于接收无磁温度传感器的温度测量信号并向电加热片输出对应的温度控制信号，实现对原子气室的温度进行控制。优选所述温度控制器内设闭环控制方式。

应用本实施例的方案，具体是：

1、本发明提出一种碱金属原子自旋全光学控制系统，针对原子磁力仪实现磁场测量的三个物理过程，利用光与原子的相互作用，以光调制手段实现碱金属原子自旋光极化、维持碱金属原子自旋在环境磁场中的磁共振、读取原子自旋的共振频率。该系统用光场实现原子磁力仪中所有物理过程的调控，能够解决碱金属原子自旋调控中时钟对准这一难题。同时，本发明提出的碱金属原子自旋全光学控制系统能够进一步挖掘原子磁力仪的小型化与集成化潜力，利用集成光路设计工艺能够获得片上原子磁探测装置。

2、本发明采用独立的泵浦光调制和探测光调制结构，利用泵浦光调制产生碱金属原子自旋共振激励信号，利用探测光进行碱金属原子自旋进动信号检测，能够有效避免原子自旋进动频率测量信号中激励信号频率的影响，获得更加准确的磁场测量结果。

3、本发明中泵浦光调制和探测光调制的驱动信号中，根据第一光电探测器和第二光电探测器输出信号，在光调制元件的驱动信号中附加相应的偏置量，能够抑制泵浦激光和探测激光的慢变漂移，实现激光功率的稳定，对于改善原子磁力仪长期测量性能具有重要意义。

4、本发明通过设置放大倍数可调的第一扩束镜和第二扩束镜，可实现对激光光束直径的调整，使激光覆盖原子气室，因此，本发明构造的碱金属原子自旋全光学控制系统适用于各种不同形状尺寸的原子气室，实用性强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。