[发明专利]一种铯原子磁力仪

说明书

本发明公开了一种铯原子磁力仪，包括激光器、第一偏振分束器、激光稳频模块、反射镜、扩束器、半波片、第二偏振分束器、四分之一波片、铯原子气泡、射频场线圈、磁屏蔽桶、透镜、光电探测器和锁相模块。通过运用自制的894nm外腔半导体激光器,建立了激光稳频装置和低噪声磁场测量环境,实现了一种基于光抽运和射频磁共振相结合的双共振铯原子磁力仪。通过磁力仪参数优化以及闭环测量，磁力仪测量的外磁场达到了19fT/Hz^1/2的极限灵敏度和8.6pT/Hz^1/2的本征灵敏度,空间分辨率小于2cm，是研究原子、分子高激发态的精密测量的有力工具，在生物医学、地球物理、量子频标、军事探测等方面都有重要应用价值。

技术领域

本发明涉及原子磁力仪技术领域，尤其是涉及一种铯原子磁力仪。

背景技术

在现代科技中，磁探测技术的应用非常广泛，例如在医学、军事、工业及地球物理等方面都有非常重要的应用，所以磁场的探测是一项非常重要的技术，而在磁探测领域中常需要用到高灵敏度原子磁力仪。

不同的应用领域决定了磁探测设备的技术指标，目前已经产品化的高灵敏度磁力仪主要包括磁通门磁力仪、质子磁力仪、光泵磁力仪和超导磁力仪。其中，超导磁力仪是目前应用的测磁灵敏度最高的仪器，主要是采用超导量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device)进行弱磁探测，其对于微弱磁场的测量具有高的灵敏度。

SQUID磁力仪虽然有很高的灵敏度，但是装置复杂、对工作环境要求高、使用维护成本高，普适性差，且受到低温使用条件的限制，在使用上有很大限制，目前主要用于医学和考古领域。

原子磁力仪由于具有高灵敏度，可微型化等优点，是目前磁力仪发展中的一个热点方向。其中又可分为全光原子磁力仪和光磁双共振原子磁力仪。

全光原子磁力仪的基本原理是采用一束光极化碱金属原子，并采用另一束光检测被极化原子自旋在检测光方向的分量，实现高灵敏度磁场检测。

光磁双共振原子磁力仪，是光抽运和射频磁共振相结合的一种双共振过程，是利用光抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间磁共振现象的一种技术。由于只有一个激光器，结构经凑，是本发明采用的方案。

原子磁力仪由于其灵敏度高、装置简单、技术实现条件低、功耗小等优点引起广泛的关注，非常具有发展前景。

发明内容

为了克服现有磁力仪灵敏度不够的问题，本发明提供了一种铯原子磁力仪，该磁力仪能够精确测量磁场，并大幅提高磁场测量灵敏度。

一种铯原子磁力仪，包括激光器、第一偏振分束器、激光稳频模块、反射镜、扩束器、半波片、第二偏振分束器、四分之一波片、铯原子气泡、射频场线圈、磁屏蔽桶、透镜、光电探测器和锁相模块；

所述铯原子气泡在外部设置射频线圈后置于磁屏蔽桶内，所述第一偏振分束器置于激光器的光路上，产生的两路激光分别到达激光稳频模块和反射镜，反射镜后面的光路上依次放置扩束器、半波片、第二偏振分束器、四分之一波片、铯原子气泡、透镜、光电探测器与锁相模块。

磁屏蔽筒用于降低外部环境磁场的噪声；激光稳频模块用于稳定激光器的频率，使激光和原子保持共振；扩束器用于增加激光的光斑尺寸，扩大激光和原子的相互作用体积；半波片、第二偏振分束器和四分之一波片的组合，可以得到圆偏振激光，并且通过半波片控制入射到铯原子气泡上的功率；激光和射频场在铯原子气泡上进行激光和射频场双共振作用；透镜用于收集激光，使激光汇聚到光电探测器上；光电探测器探测到的激光信号输入到锁相模块，进行分析处理；通过对锁相模块的信号进行分析处理，可以得到待测磁场的磁场强度。

所述的激光器为894nm外腔半导体激光器，能够实现894nm单模运转，并且线宽小于1MHz。