[发明专利]一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于二次谐波的原子磁强计检测光频率测量与稳定装置及方法，该方法基于碱金属原子气室对于检测激光的光学吸收作用和色散效应以及相位调制器的光学效应(如电光效应、磁光效应、光弹效应等)，通过监测原子磁强计光学检测系统输出的二次谐波信号，实时解算出检测光频率，并由伺服控制器及闭环控制算法，将控制信号反馈给检测光源控制模块进行相应的调节，实现大失谐检测光的频率在线测量与长时间闭环稳定。本发明发挥了系统简化，体积小，应用范围扩大，实时测量与反馈等优势，有利于小型化、集成化原子磁场测量装置的灵敏度和稳定性的提高，可服务于未来原子磁强计等量子传感仪器的工业集成和实际应用。

技术领域

本发明涉及量子仪器与精密测量的技术领域，具体涉及一种基于二次谐波的原子磁强计检测光波频率测量与稳定装置及方法，对于未来能够广泛应用于研究物质形态及性质、地质勘探及资源开发、生物医学诊断分析、材料工艺加工检测、水下磁性目标定位等诸多领域的新一代小型化、集成化的基于量子效应的超高灵敏度磁场装置研制具有重要实际意义和利用价值。

背景技术

随着近年来一些关键物理理论和技术取得重大突破，量子技术应用得到空前关注。量子传感和测量技术作为量子技术的分支，相对于现有的传感器，其优势在于能够使传感器的灵敏度、准确度和稳定性都提升多个数量级。例如，精准计时的原子钟已经在我们日常生活中广泛使用的通讯、互联网、卫星导航等领域发挥着不可替代的作用；基于量子效应和微加工技术的原子陀螺仪与加速度计将在构建高精度、微型化量子惯性导航系统方面有着先天优势，实现多种手段增强、多种系统融合的全球导航定位体系。基于量子效应的原子磁强计以其超高灵敏度磁场测量潜力将能满足生物测量、深海探测、地质勘探、物质成份分析等多个领域的应用需求。

原子磁强计随着技术手段的发展，其灵敏度极限不断突破，从最开始的nT水平发展到目前的fT量级甚至更低。原子磁强计主要包括核子旋进磁强计、光泵原子磁强计、超导量子干涉磁强计(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)，以及无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)原子磁强计等。2010年，SERF原子磁强计已经实现0.16fT/Hz^1/2的人类目前最高的磁场测量灵敏度，未来有望进一步提升至aT量级。其在蓬勃发展的脑科学研究中，有望替代SQUID磁强计成为新一代脑磁、心磁测量装置，成为继心电图、脑电图、计算机断层摄影术、正电子发射扫描、磁共振成像等技术后发展的一种非侵入式、无损伤、灵敏度更高、成本更低的脑磁图、心磁图测量技术。为了满足磁源成像、脑磁图等医疗应用的小型化、多通道、阵列式的磁场测量应用需求，迫切需要研究体积更小、灵敏度更高、成本更低的脑磁、心磁测量仪器。而随着原子磁强计体积进一步缩小，会引起自身干扰磁场噪声增加、环境影响加剧、检测信号信噪比下降等一系列问题。其中，原子自旋进动检测系统作为超高灵敏度原子磁场测量装置的关键组成部分之一，碱金属原子自旋对于检测光频率、功率等十分敏感，因此保持检测激光频率稳定是抑制检测系统噪声，提高系统灵敏度的重要手段。

常用的频率稳定技术有波长计闭环稳频法，饱和吸收法，DAVLL法和偏振谱法等，通常稳频精度均可达kHz～MHz量级，稳频范围一般处于原子共振吸收峰失谐±5GHz以内(如饱和吸收法)。但对于原子磁强计的抽运、检测激光的频率而言，均需要一定的失谐量，尤其是检测激光通常需要失谐几十GHz甚至几百GHz来达到系统输出信号极大值。除了采用波长计检测分光路的激光频率进行闭环反馈稳频方法，其他几种稳频方法难以适用于如此大的频率失谐场合，而波长计法又带来了系统复杂程度和成本的提升。小型化原子磁强计普遍采用的仍然是开环方式，仅仅利用激光器自身的温度控制、电流控制，其难以保证频率的长期稳定性，且需要根据激光输出功率、频率的波动和漂移定期标定与调整。为了推动原子磁强计小型化、低成本应用场合灵敏度和稳定性的进一步提升，提出一种适用于大失谐检测激光场合的频率测量与稳定方法。

发明内容