[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于：包括检测光源(1)、起偏器(2)、原子敏感单元(3)、四分之一波片(7)、相位调制器(8)、函数发生器(9)、检偏器(10)、光电探测器(11)、锁相放大器(12)、信号采集处理电路(13)、伺服控制器(14)和检测光源控制模块(15)，所述原子敏感单元(3)包括磁屏蔽装置(4)、光抽运系统(5)和碱金属原子气室(6)；其中：在原子敏感单元(3)中，磁屏蔽装置(4)和光抽运系统(5)使得碱金属原子气室(6)中的碱金属原子能够对外界微弱磁场感应，从而碱金属原子气室(6)中的碱金属原子发生自旋拉莫尔进动；检测光源(1)输出频率为原子共振吸收峰至失谐几百GHz的窄线宽检测激光经由消光比大于1000:1的起偏器(2)成为线偏振光，经过感应外界磁场的碱金属原子气室(6)并与之发生相互作用，而后依次经过四分之一波片(7)、相位调制器(8)被施以由函数发生器(9)产生频率为ω的正弦信号调制，最后由与起偏器(2)起偏方向正交的检偏器(10)后由光电探测器(11)接收，转换成电信号，通过锁相放大器(12)解调出输出光强中与调制信号对应的一、二次谐波信号分量，经过信号采集处理电路(13)进行数据采集和相关处理，解算出实时激光频率，并由伺服控制器(14)及闭环控制算法与参考值作对比，输出控制信号反馈给检测光源控制模块(15)进行微调，最终实现检测激光的长期稳定；所述原子敏感单元(3)中磁屏蔽装置(4)和光抽运系统(5)使得碱金属原子能够感应外界磁场，并产生相应大小的原子自旋拉莫尔进动信号；所述检测光源(1)为窄线宽激光器，输出激光中心频率处于原子共振吸收峰至失谐几百GHz处，其检测光源控制模块(15)包含电流控制模块和温度控制模块，能够通过调节电压、电流方式微调输出激光频率；所述起偏器(2)与检偏器(10)处于相互消光位置，消光比达到1000:1以上；所述四分之一波片(7)的光轴方向与起偏器(2)的透光轴方向平行；所述相位调制器(8)包括电光调制器、法拉第调制器或光弹调制器，其快、慢轴方向与起偏器透光轴方向夹角为45°，并由函数发生器(9)输出频率为ω的正弦信号对检测激光进行调制；所述锁相放大器(12)输出二次谐波信号用来实现检测光频率在线测量及闭环稳定；所述信号采集处理电路(13)包括一个数据采集卡及相关控制、数据处理电路；所述伺服控制器(14)通过比较系统输出二次谐波信号大小与参考激光频率对应值，采用闭环控制算法输出控制信号，反馈给检测光源控制模块(15)。