[发明专利]一种光纤型CPT原子磁力仪物理系统

说明书

技术领域

本发明涉及微小型CPT磁力仪技术领域，尤其涉及一种全光纤型CPT原子磁力仪物理系统。

背景技术

高精度磁场测量技术在许多领域都有着非常广泛的应用，在地质学、材料科学、导航、磁异常检测、生物医学和基础科学研究等领域都发挥着越来越重要的作用。磁力仪的种类繁多，根据其特性的不同，不同种类的磁力仪有着不同的应用。基于相干布居陷俘原理(Coherent Population Trapping,CPT)的原子磁力仪，因为其独特的性质在很多领域有着很好的应用潜力。该磁力仪因其绝对测量的方案且无需校准，在导航和空间磁测方向有着很好的前景；其全光结构且易于小型化的特性，让它可以避免探头内金属的影响，可以很好地应用于生物磁测量；作为标量磁力仪，CPT磁力仪对测量方向不敏感，它还是地磁图绘制的合适候选。由此可见，其将来的应用领域非常广泛。

当两相干激光与Λ能级的原子相互作用时，当双色光的频差与基态两能级频差相同，即拉曼共振时，原子被制备到相干叠加态，称为CPT态。处于CPT态的原子与光场解耦，不再与光场相互作用。1975年，Alzetta等人在使用两频率激光作用于Na原子团的实验中，首次发现了CPT现象。而将该现象应用于磁场测量领域，直到1992年才由德国科学家Scully首次提出，随后他们做了大量的理论和实验研究，并预测CPT磁力仪的灵敏度极限可达到1fT/Hz^1/2。

1999年，德国的Wynands教授利用充有Ne气的Cs泡获取了42Hz的CPT共振信号，并达到了12pT/Hz^1/2的测量灵敏度。2004年，NIST的Kitching小组利用1mm³的芯片级CPT磁力仪获得了50pT/Hz^1/2的灵敏度，且功耗仅195mW，成为光学磁力仪小型化的一个典型代表。

目前，CPT磁力仪物理系统绝大多数采用自由空间的光学器件，如准直透镜、光强衰减片、1/4波片，因此整体物理系统的体积受限于传统光学器件体积。这种结构的CPT磁力仪物理系统有如下几方面缺点：

1.由于传统CPT磁力仪的VCSEL激光器都设置在磁力仪探头部分，用于CPT信号所需的微波信号需要从主机电路中使用专用的高频电缆线连接到VCSEL激光器上，高频电缆线的晃动容易导致微波传输功率的不稳从而影响磁场测量的稳定度。

2.由于自由空间用VCSEL激光器的出射光斑具有发散角，准直透镜用来将具有发散角的线偏振光转变为平行线偏振光，因此要求VCSEL激光管的出射口中心，准直透镜的焦点，1/4波片中心位置，原子气室轴线和光电探测器中心必须同轴。这种要求增加了安装和调试光路的难度，影响原子磁力仪的磁场测量稳定度。

3.在原子气室温度一定的情况下，在光与碱金属原子的相互作用中，为提高CPT信号测量磁场的信噪比，需要增加光与原子相互作用的长度，由于准直后的光是平行光，要提高信噪比只能增加原子气室的长度，从而使得原子磁力仪的体积和功耗增大。

4.原子气室由于是采用传统玻璃吹制技术制成，必然在注入碱金属和缓冲气体的密封口处形成一个小玻璃尖锥，这种原子气室的不对称结构会影响CPT磁力仪结构的紧凑性和稳定性。

5.传统CPT磁力仪探头部分包含了VCSEL激光器和光电探测器等金属组件，这些组件会带来剩磁，探头剩磁会对磁力仪的磁场测量精度产生较大影响。

发明内容

CPT磁力仪磁场测量原理：以铷原子(⁸⁷Rb)作为工作介质，未加外磁场情况下两个相干场在⁸⁷Rb原子的D₁线基态与激发态之间形成一个Λ模型系统的CPT共振信号，如图1(a)所示，并且这些子能级在磁场为零时都是简并的。有外磁场的情况下原子能级会发生塞曼分裂。当磁场与光的波矢方向平行时，两个圆频率分别为ω₁和ω₂的右旋圆偏振光同时作用于原子系统，由选择定则可知，此时的跃迁会构成如图1(b)所示的3个三能级Λ型CPT系统。

相邻塞曼子能级的能量差与外磁场的关系如下：