[发明专利]一种单光束自旋极化和检测方法

说明书

本发明公开了一种单光束自旋极化和检测方法，该方法利用的装置包括激光器、DMD、两个线偏振片、两个四分之一波片、磁屏蔽筒、温控、y方向磁场线圈、原子气室、光电探测器。该方法实现的过程为：激光器发出的激光经过DMD实现幅值调制，调制频率为y方向磁场B_y引起拉莫尔进动频率，顺序穿过第一线偏振片和第一四分之一波片后变成椭圆光打在高温的原子气室上，利用椭圆偏振光的圆偏成分使气室中的原子极化，并利用椭圆偏振光的线偏成分对原子的极化进行检测，即产生旋光角，最后顺序经过第二四分之一波片和第二线偏振片并在光电探测器上测得光强，根据计算模型得到旋光角。本发明光路简单，功耗较低，易于实现自旋成像和磁显微成像。

技术领域

本发明属于原子磁强计技术领域，具体涉及一种单光束自旋极化和检测方法。

背景技术

原子磁强计是一种基于光和原子以及原子和磁场之间的相互作用来测量磁场的方法，他利用原子的进动性实现磁场的测量。原子磁强计相对于SQUID磁显微技术和金刚石色心磁显微技术等其他磁显微技术具有最高的磁场灵敏度，在高磁场灵敏度的应用场合具有更大的应用前景。

原子磁强计技术通过频率为碱金属D1线对应频率的圆偏光实现碱金属原子自旋极化，自旋极化后原子的磁矩在磁场的作用下做拉莫尔进动，此时，利用一束碱金属D1线波段的线偏振光探测旋光角或抽运光本身的吸收衰减量即可得到原子自旋极化的极化率。相对于光吸收法，旋光测量法对原子极化率的干扰更小，所以旋光测量法通常是最主要的方法。旋光测量法的关键在于旋光角的测量，传统的测量方法包括法拉第调制法、光弹调制法、差分探测法。法拉第调制方法和光弹调制法分别利用法拉第调制器和光弹调制器对检测光进行调制，最后通过锁相放大器解调得到旋光角的大小，这两种方法的关键在于调制解调，由于测量装置需要调制解调，这就使得光路复杂，功耗较高。而差分检测法则是利用偏振分光棱镜(PBS)对检测光进行差分探测，由于旋光角较小，可以通过差分探测的公式近似得到旋光角，但这种方法不仅需要两个光电探测器，而且偏振分光棱镜也使装置结构复杂。

常规的原子磁强计检测旋光角的方法是通过调制解调或差分探测，但在自旋成像方面，这些方法难以实现，另一方面，在科学研究和生产生活中很多地方要求装置简易和光路结构紧凑，现有的方法也不能满足需求。如何实现测量光路的精简以及自旋成像，是原子磁强计的一个至关重要的研究内容，目前在这一方面尚未有相关研究成果。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：1.在原子磁强计测量旋光角的过程中，多采用调制解调的方法，其功耗较大。2.无论是调制解调法还是差分探测法测量旋光角，光路以及配置复杂，不易实现仪器的小型化。3.现有的方法难以实现自旋成像，无法满足磁显微方面的应用。本发明克服现有技术的不足，提供一种单光束检测原子磁强计旋光角信号的方法，在单光束原子磁强计的基础上，仅使用四分之一波片和线偏振片就能实现旋光角的检测，与常见原子磁强计检测旋光角的方法相比，光路简单，结构紧凑，功耗极低，运行条件容易达到，易于小型化集成化，在磁显微方面有着广阔的应用前景。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种单光束自旋极化和检测方法，该方法利用的装置包括激光器、DMD、两个线偏振片、两个四分之一波片、磁屏蔽筒、温控、y方向磁场线圈、原子气室、光电探测器。该方法实现的过程为：激光器发出的激光经过DMD实现幅值调制，调制频率为y方向磁场By引起拉莫尔进动频率，顺序穿过第一线偏振片和第一四分之一波片后变成椭圆光打在高温的原子气室上，利用椭圆偏振光的圆偏成分实现气室中的原子自旋极化，并利用椭圆偏振光的线偏成分对原子的自旋极化进行检测，即产生旋光角，最后顺序经过第二四分之一波片和第二线偏振片并在光电探测器上测得光强，根据计算模型得到旋光角。

其中，激光的波长为原子气室中碱金属原子D1线跃迁对应的波长。

其中，原子气室的温度由温控控制，达到高温下原子腔内的热平衡。