[发明专利]一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置及测量方法

说明书

本发明提供一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，包括抽运光路器件、探测光路器件、原子气室、三维亥姆霍兹线圈、偏振面检测装置和信号处理系统；原子气室内充有碱金属原子与缓冲气体；抽运光路器件包括依次串联设置的第一激光器、第一扩束准直装置和圆偏振光转换装置；探测光路器件包括第二激光器、第二扩束准直装置以及第一线偏振片。本发明还公开一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量方法。应用本发明的技术方案，效果是：整体结构精简；利用不同方向的旋转磁场，实现对基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间的精确测量；能够应用于研究光抽运与自旋弛豫以及评估原子磁力仪和原子自旋陀螺等的性能。

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别地，涉及一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置及测量方法。

背景技术

碱金属原子最外层只有一个电子，这使得碱金属原子呈现出许多独特的性质，并吸引了人们广泛的研究兴趣。目前，碱金属原子普遍地应用于原子钟、法拉第滤波器、原子干涉仪、原子自旋陀螺以及原子磁力仪等领域。对于碱金属原子的一些应用领域，如原子自旋陀螺和原子磁力仪，碱金属原子的横向自旋驰豫时间是一个极其重要的参量。碱金属原子的横向自旋弛豫时间直接决定着原子磁力仪的极限灵敏度和响应线宽，原子自旋陀螺的精度也与碱金属原子的横向自旋弛豫时间直接相关。因而，对碱金属原子横向自旋弛豫时间的精确测量有助于有效地评估原子磁力仪与原子自旋陀螺的性能。另外，对于碱金属原子的应用领域，普遍需要用光抽运的方法改变原子的布居。由于碱金属原子的横向自旋弛豫时间与光抽运有关，因而对碱金属原子的横向自旋弛豫时间的精确测量有助于光抽运的研究。

随着人们对碱金属原子研究的深入，人们找到了多种提高碱金属原子横向自旋弛豫时间的有效途径，如向碱金属原子气室充入缓冲气体，以及对碱金属原子气室内壁镀抗弛豫膜。这些途径使得人们可以实现较长的碱金属原子横向自旋弛豫时间。当碱金属原子横向自旋弛豫时间延长时，碱金属原子的磁响应线宽变窄，碱金属原子的超精细结构变得可以分辨而需要考虑。在这种情况下，为了研究光抽运与自旋弛豫以及评估原子磁力仪和原子自旋陀螺等的性能，需要单独测量处于基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间。

目前，对于碱金属原子横向自旋弛豫时间的测量，普遍采用传统的自由感应衰减法。这种方法实验操作简单、实验结果精确，因而长期作为一种标准的横向自旋弛豫时间测量方法。其需要施加频率等于磁共振频率的线偏振荡磁场，用于激励创生碱金属原子的横向自旋分量。当考虑超精细结构时，在振荡磁场的激励下，处于基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋分量都将创生。因而，若采用传统的自由感应衰减法测量处于基态某一超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间，测量将会受到处于基态另一超精细能级的碱金属原子的影响。为了精确测量处于基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间，需要单独激励处于基态不同超精细能级的碱金属原子。为了达到这一目的，需要考虑新的激励方式。

发明内容

本发明利用不同方向的旋转磁场，单独激励处于基态不同超精细能级的碱金属原子，实现对基态不同超精细能级的碱金属原子的横向自旋弛豫时间的精确测量，具体技术方案如下：

一种碱金属原子的横向自旋弛豫时间测量装置，包括抽运光路器件、探测光路器件、原子气室、三维亥姆霍兹线圈、偏振面检测装置以及信号处理系统；

所述原子气室内充有碱金属原子与缓冲气体；

所述抽运光路器件包括依次串联设置的第一激光器、第一扩束准直装置和圆偏振光转换装置，所述第一激光器用于输出抽运光，所述第一扩束准直装置用于将所述第一激光器输出的抽运光进行扩束准直处理，所述圆偏振光转换装置用于将所述第一扩束准直装置扩束准直处理后的抽运光转变为圆偏振光，圆偏振光用于极化原子气室中的碱金属原子；