[發明專利]一種光纖型CPT原子磁力儀物理系統

在審

• 申請號: 201710150233.3
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN106932738A
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 盧向東;張笑楠;寇軍;孫曉潔;曹建勛;王學鋒;王巍
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 范曉毅

技術領域

本發明涉及微小型CPT磁力儀技術領域，尤其涉及一種全光纖型CPT原子磁力儀物理系統。

背景技術

高精度磁場測量技術在許多領域都有著非常廣泛的應用，在地質學、材料科學、導航、磁異常檢測、生物醫學和基礎科學研究等領域都發揮著越來越重要的作用。磁力儀的種類繁多，根據其特性的不同，不同種類的磁力儀有著不同的應用。基于相干布居陷俘原理(Coherent Population Trapping,CPT)的原子磁力儀，因為其獨特的性質在很多領域有著很好的應用潛力。該磁力儀因其絕對測量的方案且無需校準，在導航和空間磁測方向有著很好的前景；其全光結構且易于小型化的特性，讓它可以避免探頭內金屬的影響，可以很好地應用于生物磁測量；作為標量磁力儀，CPT磁力儀對測量方向不敏感，它還是地磁圖繪制的合適候選。由此可見，其將來的應用領域非常廣泛。

當兩相干激光與Λ能級的原子相互作用時，當雙色光的頻差與基態兩能級頻差相同，即拉曼共振時，原子被制備到相干疊加態，稱為CPT態。處于CPT態的原子與光場解耦，不再與光場相互作用。1975年，Alzetta等人在使用兩頻率激光作用于Na原子團的實驗中，首次發現了CPT現象。而將該現象應用于磁場測量領域，直到1992年才由德國科學家Scully首次提出，隨后他們做了大量的理論和實驗研究，并預測CPT磁力儀的靈敏度極限可達到1fT/Hz^1/2。

1999年，德國的Wynands教授利用充有Ne氣的Cs泡獲取了42Hz的CPT共振信號，并達到了12pT/Hz^1/2的測量靈敏度。2004年，NIST的Kitching小組利用1mm³的芯片級CPT磁力儀獲得了50pT/Hz^1/2的靈敏度，且功耗僅195mW，成為光學磁力儀小型化的一個典型代表。

目前，CPT磁力儀物理系統絕大多數采用自由空間的光學器件，如準直透鏡、光強衰減片、1/4波片，因此整體物理系統的體積受限于傳統光學器件體積。這種結構的CPT磁力儀物理系統有如下幾方面缺點：

1.由于傳統CPT磁力儀的VCSEL激光器都設置在磁力儀探頭部分，用于CPT信號所需的微波信號需要從主機電路中使用專用的高頻電纜線連接到VCSEL激光器上，高頻電纜線的晃動容易導致微波傳輸功率的不穩從而影響磁場測量的穩定度。

2.由于自由空間用VCSEL激光器的出射光斑具有發散角，準直透鏡用來將具有發散角的線偏振光轉變為平行線偏振光，因此要求VCSEL激光管的出射口中心，準直透鏡的焦點，1/4波片中心位置，原子氣室軸線和光電探測器中心必須同軸。這種要求增加了安裝和調試光路的難度，影響原子磁力儀的磁場測量穩定度。

3.在原子氣室溫度一定的情況下，在光與堿金屬原子的相互作用中，為提高CPT信號測量磁場的信噪比，需要增加光與原子相互作用的長度，由于準直后的光是平行光，要提高信噪比只能增加原子氣室的長度，從而使得原子磁力儀的體積和功耗增大。

4.原子氣室由于是采用傳統玻璃吹制技術制成，必然在注入堿金屬和緩沖氣體的密封口處形成一個小玻璃尖錐，這種原子氣室的不對稱結構會影響CPT磁力儀結構的緊湊性和穩定性。

5.傳統CPT磁力儀探頭部分包含了VCSEL激光器和光電探測器等金屬組件，這些組件會帶來剩磁，探頭剩磁會對磁力儀的磁場測量精度產生較大影響。

發明內容

CPT磁力儀磁場測量原理：以銣原子(⁸⁷Rb)作為工作介質，未加外磁場情況下兩個相干場在⁸⁷Rb原子的D₁線基態與激發態之間形成一個Λ模型系統的CPT共振信號，如圖1(a)所示，并且這些子能級在磁場為零時都是簡并的。有外磁場的情況下原子能級會發生塞曼分裂。當磁場與光的波矢方向平行時，兩個圓頻率分別為ω₁和ω₂的右旋圓偏振光同時作用于原子系統，由選擇定則可知，此時的躍遷會構成如圖1(b)所示的3個三能級Λ型CPT系統。

相鄰塞曼子能級的能量差與外磁場的關系如下：