[發明專利]一種基于二次諧波的原子磁強計檢測光頻率測量與穩定裝置及方法

有效

• 申請號: 201710580934.0
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107394576B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 丁銘;胡焱暉;張吉;劉學靜
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01S3/13
• 分類號: H01S3/13;G01J9/00;G01R33/032
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明公開了一種基于二次諧波的原子磁強計檢測光頻率測量與穩定裝置及方法，該方法基于堿金屬原子氣室對于檢測激光的光學吸收作用和色散效應以及相位調制器的光學效應(如電光效應、磁光效應、光彈效應等)，通過監測原子磁強計光學檢測系統輸出的二次諧波信號，實時解算出檢測光頻率，并由伺服控制器及閉環控制算法，將控制信號反饋給檢測光源控制模塊進行相應的調節，實現大失諧檢測光的頻率在線測量與長時間閉環穩定。本發明發揮了系統簡化，體積小，應用范圍擴大，實時測量與反饋等優勢，有利于小型化、集成化原子磁場測量裝置的靈敏度和穩定性的提高，可服務于未來原子磁強計等量子傳感儀器的工業集成和實際應用。

技術領域

本發明涉及量子儀器與精密測量的技術領域，具體涉及一種基于二次諧波的原子磁強計檢測光波頻率測量與穩定裝置及方法，對于未來能夠廣泛應用于研究物質形態及性質、地質勘探及資源開發、生物醫學診斷分析、材料工藝加工檢測、水下磁性目標定位等諸多領域的新一代小型化、集成化的基于量子效應的超高靈敏度磁場裝置研制具有重要實際意義和利用價值。

背景技術

隨著近年來一些關鍵物理理論和技術取得重大突破，量子技術應用得到空前關注。量子傳感和測量技術作為量子技術的分支，相對于現有的傳感器，其優勢在于能夠使傳感器的靈敏度、準確度和穩定性都提升多個數量級。例如，精準計時的原子鐘已經在我們日常生活中廣泛使用的通訊、互聯網、衛星導航等領域發揮著不可替代的作用；基于量子效應和微加工技術的原子陀螺儀與加速度計將在構建高精度、微型化量子慣性導航系統方面有著先天優勢，實現多種手段增強、多種系統融合的全球導航定位體系。基于量子效應的原子磁強計以其超高靈敏度磁場測量潛力將能滿足生物測量、深海探測、地質勘探、物質成份分析等多個領域的應用需求。

原子磁強計隨著技術手段的發展，其靈敏度極限不斷突破，從最開始的nT水平發展到目前的fT量級甚至更低。原子磁強計主要包括核子旋進磁強計、光泵原子磁強計、超導量子干涉磁強計(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)，以及無自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)原子磁強計等。2010年，SERF原子磁強計已經實現0.16fT/Hz^1/2的人類目前最高的磁場測量靈敏度，未來有望進一步提升至aT量級。其在蓬勃發展的腦科學研究中，有望替代SQUID磁強計成為新一代腦磁、心磁測量裝置，成為繼心電圖、腦電圖、計算機斷層攝影術、正電子發射掃描、磁共振成像等技術后發展的一種非侵入式、無損傷、靈敏度更高、成本更低的腦磁圖、心磁圖測量技術。為了滿足磁源成像、腦磁圖等醫療應用的小型化、多通道、陣列式的磁場測量應用需求，迫切需要研究體積更小、靈敏度更高、成本更低的腦磁、心磁測量儀器。而隨著原子磁強計體積進一步縮小，會引起自身干擾磁場噪聲增加、環境影響加劇、檢測信號信噪比下降等一系列問題。其中，原子自旋進動檢測系統作為超高靈敏度原子磁場測量裝置的關鍵組成部分之一，堿金屬原子自旋對于檢測光頻率、功率等十分敏感，因此保持檢測激光頻率穩定是抑制檢測系統噪聲，提高系統靈敏度的重要手段。

常用的頻率穩定技術有波長計閉環穩頻法，飽和吸收法，DAVLL法和偏振譜法等，通常穩頻精度均可達kHz～MHz量級，穩頻范圍一般處于原子共振吸收峰失諧±5GHz以內(如飽和吸收法)。但對于原子磁強計的抽運、檢測激光的頻率而言，均需要一定的失諧量，尤其是檢測激光通常需要失諧幾十GHz甚至幾百GHz來達到系統輸出信號極大值。除了采用波長計檢測分光路的激光頻率進行閉環反饋穩頻方法，其他幾種穩頻方法難以適用于如此大的頻率失諧場合，而波長計法又帶來了系統復雜程度和成本的提升。小型化原子磁強計普遍采用的仍然是開環方式，僅僅利用激光器自身的溫度控制、電流控制，其難以保證頻率的長期穩定性，且需要根據激光輸出功率、頻率的波動和漂移定期標定與調整。為了推動原子磁強計小型化、低成本應用場合靈敏度和穩定性的進一步提升，提出一種適用于大失諧檢測激光場合的頻率測量與穩定方法。

發明內容