[發(fā)明專(zhuān)利]一種堿金屬原子自旋全光學(xué)控制系統(tǒng)及探測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110144549.8
• 申請(qǐng)日: 2021-02-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112946541B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐馥芳;李瑩穎;馬明祥;謝玉波;萬(wàn)伏彬;汪杰;羅玉昆
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G01R33/032
• 分類(lèi)號(hào): G01R33/032
• 代理公司: 長(zhǎng)沙七源專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 43214
• 代理人: 周曉艷;張勇

本發(fā)明提供一種堿金屬原子自旋全光學(xué)控制系統(tǒng)及探測(cè)方法，該系統(tǒng)包括泵浦光路模塊、探測(cè)光路模塊、光調(diào)制模塊、原子氣室、溫度控制模塊和信號(hào)分析顯示模塊。本發(fā)明利用光與原子的相互作用，以光調(diào)制手段實(shí)現(xiàn)堿金屬原子自旋光極化、維持堿金屬原子自旋在環(huán)境磁場(chǎng)中的磁共振、讀取原子自旋的共振頻率。該系統(tǒng)用光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)原子磁力儀中所有物理過(guò)程的調(diào)控，能夠解決堿金屬原子自旋調(diào)控中時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)這一難題；本發(fā)明采用獨(dú)立的泵浦光調(diào)制和探測(cè)光調(diào)制結(jié)構(gòu)，利用泵浦光調(diào)制產(chǎn)生堿金屬原子自旋共振激勵(lì)信號(hào)，利用探測(cè)光進(jìn)行堿金屬原子自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)，能夠有效避免原子自旋進(jìn)動(dòng)頻率測(cè)量信號(hào)中激勵(lì)信號(hào)頻率的影響，獲得更加準(zhǔn)確的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種堿金屬原子自旋全光學(xué)控制系統(tǒng)及探測(cè)方法。

背景技術(shù)

非零的原子自旋具有磁矩，在磁場(chǎng)扭矩的作用下會(huì)以固定的頻率繞磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)，且該進(jìn)動(dòng)頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小成正比，因此，可以通過(guò)觀(guān)測(cè)原子自旋的進(jìn)動(dòng)頻率得到原子所處環(huán)境的磁場(chǎng)信息。

原子磁力儀以鉀、銣、銫等堿金屬原子為工作物質(zhì)，利用堿金屬原子自旋在磁場(chǎng)中的磁共振效應(yīng)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量，原子磁力儀中的堿金屬原子自旋需要經(jīng)歷三個(gè)主要的物理過(guò)程：(1)實(shí)現(xiàn)原子自旋光極化，通過(guò)吸收泵浦激光光子攜帶的特定角動(dòng)量，使堿金屬原子最外層電子處于特定的塞曼子能級(jí)；(2)堿金屬原子自旋在環(huán)境磁場(chǎng)中產(chǎn)生磁共振，共振頻率正比于環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度；(3)對(duì)原子自旋的共振頻率進(jìn)行檢測(cè)，以共振頻率大小解算環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了能夠獲得較強(qiáng)的堿金屬原子自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)，需要利用各種調(diào)控手段將微觀(guān)的堿金屬原子自旋磁矩轉(zhuǎn)化為宏觀(guān)的磁化強(qiáng)度矢量，簡(jiǎn)而言之就是將原子系綜中單個(gè)原子的無(wú)序行為通過(guò)外部物理場(chǎng)束縛為大量原子的有序行為。此時(shí)測(cè)量得到的原子磁力儀輸出信號(hào)為參與測(cè)量的堿金屬原子自旋的總和。

除了必須的光場(chǎng)調(diào)控外，現(xiàn)有原子磁力儀普遍通過(guò)施加多種物理場(chǎng)實(shí)現(xiàn)堿金屬原子自旋各個(gè)階段的調(diào)控，原子磁力儀整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)小型化和精準(zhǔn)控制。因此，如何有效整合堿金屬原子自旋調(diào)控手段是現(xiàn)有技術(shù)中急需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種堿金屬原子自旋全光學(xué)控制系統(tǒng)及探測(cè)方法，利用光與原子的相互作用，以光調(diào)制手段實(shí)現(xiàn)堿金屬原子自旋光極化、維持堿金屬原子自旋在環(huán)境磁場(chǎng)中的磁共振、讀取原子自旋的共振頻率。該系統(tǒng)用光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)原子磁力儀中所有物理過(guò)程的調(diào)控，能夠解決堿金屬原子自旋調(diào)控中時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)這一難題；本發(fā)明采用獨(dú)立的泵浦光調(diào)制和探測(cè)光調(diào)制結(jié)構(gòu)，利用泵浦光調(diào)制產(chǎn)生堿金屬原子自旋共振激勵(lì)信號(hào)，利用探測(cè)光進(jìn)行堿金屬原子自旋進(jìn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)，能夠有效避免原子自旋進(jìn)動(dòng)頻率測(cè)量信號(hào)中激勵(lì)信號(hào)頻率的影響，獲得更加準(zhǔn)確的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果；本發(fā)明光學(xué)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成化。具體技術(shù)方案如下：

一種堿金屬原子自旋全光學(xué)控制系統(tǒng)，包括泵浦光路模塊、探測(cè)光路模塊、光調(diào)制模塊、原子氣室、溫度控制模塊和信號(hào)分析顯示模塊；

所述光調(diào)制模塊用于產(chǎn)生堿金屬原子自旋極化調(diào)控信號(hào)、堿金屬原子自旋共振激勵(lì)信號(hào)和堿金屬原子自旋檢測(cè)調(diào)控信號(hào)，其包括泵浦光調(diào)制元件、泵浦光調(diào)制控制器、探測(cè)光調(diào)制元件和探測(cè)光調(diào)制控制器；所述泵浦光調(diào)制控制器的輸出端與泵浦光調(diào)制元件相連，用于產(chǎn)生泵浦光調(diào)制元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；所述探測(cè)光調(diào)制控制器的輸出端與探測(cè)光調(diào)制元件相連，用于產(chǎn)生探測(cè)光調(diào)制元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；