基于電磁感應透明效應測量微弱磁場場強的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微弱磁場場強測量技術，具體為一種基于電磁感應透明效應測量微弱 磁場場強的裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 磁場測量是對磁場有關參數的測量技術，主要測量對象有：磁場強度、磁通密度 等。測量恒定磁場的方法以及校準設備的主要有以下幾種：利用磁場的力效應而制成的力 矩磁強計、通過磁通計、檢流計利用沖擊法測量軟磁材料的磁通密度、磁通門磁強計、霍爾 效應磁強計及核磁共振磁強計、旋轉線圈磁強計等等。磁場強度的精確測量的應用范圍廣 泛，對于測量數字設備表面或內部的磁場，防止其磁場的干擾，以及進行現有傳感器和測 試設備的校準方面具有廣泛的應用。對于現有的磁場測量方法和裝置存在測量靈敏度不 高，對外界環境要求高，磁強計結構復雜、占用空間較大等問題。此外，這些傳感器在參考測 量設備中的校準耗費很高，而且這些測量方法的誤差大多為〇. 1% - 1%之間。同時傳統的 測量技術在測量范圍上也受到局限，較好的高精度空間磁通門磁力計，也只能測到〈1T的 穩定或低頻交變磁場。因此發展新型的磁力計一直以來都是磁場測量領域亟待解決的問 題。
【發明內容】
[0003] 本發明為解決目前磁力測量裝置靈敏度不高且測量誤差較大的技術問題，提供一 種基于電磁感應透明效應測量微弱磁場場強的方法及裝置。
[0004] 本發明所述的基于電磁感應透明效應測量微弱磁場場強的方法是采用以下技術 方案實現的：一種基于電磁感應透明效應測量微弱磁場場強的方法，包括如下步驟：(a)、 將一束探測光分成兩束強度相同的平行光后均入射至內部充有堿金屬原子的原子氣室內， 兩束探測光與堿金屬原子作用后又從原子氣室另一側透射并同時被平衡探測器探測，獲得 無多普勒背景的信號；(b)、引入一束耦合光入射至原子氣室且與其中一束探測光反向共 線；所述探測光中心波長與堿金屬原子的基態到第一激發態的躍迀共振，耦合光中心波長 與堿金屬原子的第一激發態到高激發態的躍迀共振；（c)、掃描耦合光頻率，平衡探測器就 可以獲得關于探測光的電磁感應透明光譜；（d)、將原子氣室置于待測磁場表面，如果在激 光經過的路線上存在外磁場，堿金屬原子的各能級就會在磁場的作用下分裂成相應的磁子 能級；這樣就可能存在多個能級躍迀組合，原本單個EIT光譜峰就會分裂為多個子EIT光譜 峰；通過標定子EIT光譜的峰值對應的能級躍迀組合，就可以計算出子EIT峰值之間的間 隔，即可以計算出在磁場強度作用B下，參與EIT效應的各能級分裂的大小；用此方法可以 通過測量各個子峰值之間的分裂，從而推導出磁場強度B。
[0005] 本發明所述方法的工作原理如下：高激發態（Rydberg)原子通常指外層一個電子 被激發到高量子態（主量子數n很大）的原子。高激發態原子具有原子半徑大、自然壽命 長、能級間隔小、極化率高、對外界磁場特別敏感等特點，且高激發態態能級躍迀頻率在微 弱磁場作用下非常明顯，故非常適用于對磁場的測量。
[0006] 塞曼效應是指原子光譜線在外磁場中發生的分裂。原子外層的電子的軌道磁矩和 自旋磁矩耦合成總磁矩，并且空間取向是量子化的，因此原子在磁場作用下的附加能量不 同，引起能級分裂。在無外磁場時，原子在兩個能級EJPE 2(E^E2)之間躍迀的能量差為：
[0007] A E = hv = E2-E1
[0008] 如果只考慮電子的磁矩對原子總磁矩的貢獻，那么磁場引起的附加能量為：
[0009] AU= -U*B = -]izB=iiijgjUbB
[0010] 這里將磁感應強度B的方向取為z軸方向，1^是磁矩在z方向上的投影。Hi1是電 子總角動量J在z方向投影的量子數，可以取-J，-J+1，…J-l，J共2J+1個值，&是電子總 角動量的朗德因子，是玻爾磁子。
[0011] 這樣，原子的每一個能級分裂成若干分立的能級，兩個能級之間躍迀的能量差 為：
[0012] A E' = hv' = E' 2-E' i= E fEi+Oiijygjy-mugu) Ii bB
[0013]原子總角動量F = I+J, J = L+S，本發明中選用基態，F = 4,激發態，F = 5,進行 測量（針對堿金屬原子）。由于每一譜線會分裂成mF=2F+l條譜線。由于躍迀的選擇定 則，參與躍迀的兩個磁子能級的磁量子數必須滿足：Am = 0, +1，-1。對于Am = +1，原子 在磁場方向上的角動量減少了一個?，由于原子和光子的角動量之和守恒，因此吸收的光 子具有與磁場方向相同的角動量ft,方向與電矢量旋轉方向構成右手螺旋，稱為〇 +偏振， 是左旋偏振光。反之，對于Am=-1，原子在磁場方向的角動量增加了一個士,光子具有與 磁場方向相反的角動量:|，方向與電矢量旋轉方向構成左手螺旋，稱為〇偏振，是右旋偏 振光。對于Am = O,原子在磁場方向的角動量不變，稱為JT偏振。如果沿磁場方向觀察， 只能觀察到〇+和〇譜線的左旋偏振光和右旋偏振光，觀察不到偏振的譜線。因此在 本方法中通過觀察〇 +偏振和〇偏振光的吸收情況來進行測量。
[0014] 電磁感應透明（EIT)是指在激光場作用下，量子態之間發生的量子相干效應。例 如使用探測光（probe light)共振于堿金屬原子基態和激發態，探測光與共振于堿金屬原 子激發態到高激發態的強親合光（coupling light)相對穿過原子氣室，共同作用在原子氣 室中的堿金屬原子上，構成一個三能級系統。當掃描強耦合光時，探測弱探測光可以獲得電 磁感應透明光譜。當原子氣室置于待測磁場表面，在激光經過的路線上存在外磁場，原子系 統中的三個能級的簡并度會被破壞，三個能級將會在磁場作用下分別分裂成相應的磁子能 級，也就是說原有的三能級系統可以分裂成多個三能級躍迀組合，滿足躍迀選擇定則理論 的躍迀組合可以對應多個數目的子EIT光譜；如圖3所示。能級分裂導致的磁子能級移動 滿足的公式如下：
[0015] A = B y BgF。
[0016] 各個滿足躍迀選擇定則的磁子能級可以構成多個階梯型三能級系統，實驗中可以 獲得相應數目的子EIT光譜，可以通過理論計算標定EIT光譜的峰值的頻率找出對應的躍 迀組合，根據峰值位置計算出的峰值間隔寬度是三個能級總的能級移動，即由上述公式表 示的能級移動之和，因此根據上式可以推導出磁場強度B。
[0017] 進一步的，步驟（d)在測量獲得多個不同的能級躍迀組合的光譜后，對多個峰值 間隔進行測量擬合，可以對所測量的磁場進行自校準。
[0018] 如圖5所示，測量多個躍迀組合的峰值間隔進行擬合，就可以獲得磁場的多個測 量值，因為測量值對于所有的躍迀組合的作用均是線性的，因此可以對所測量的磁場進行 校準。由于測量的分裂寬度與原子躍迀線的精度相聯系，因此基于這種量子相干效應的測 量的精度和溯源性有很大提高。
[0019] 進一步的，堿金屬原子為銫原子，探測光中心波長為852nm，耦合光的中心波長為 510nm〇
[0020] 原子氣室內充銫（133Cs)原子，探測光共振于銫原子基態（6S 1/2, F = 4)到激發態 (6P3/2，F' = 5)，探測光與一束共振于銫原子激發態（6P3/2，F' = 5)到高激發態（47D5/2)的 親合光（coupling light)相對穿過原子氣室，共同作用在氣室中的原子上，當掃描強親合 光時，探測弱探測光可以獲得電磁感應透明光譜。氣室置于待測磁場表面，如果在激光經過 的路線上存在外磁場，原系統中簡并的三個能級會被破壞，三個能級將會在磁場作用下分 裂成相應的磁子能級。對于銫原子（6S 1/2, F = 4) - (6P3/2, F' = 5) - (47D5/2)三個能級 磁子能級的能量移動由如下公式確定：
[0024] 對于高激發態，這里只考慮總角動量J。磁場作用下分裂的各磁子能級可以構成多 個階梯型三能級系統，存在不同的能級躍迀組合（如圖3)。相對應的可以獲得多個子EIT 光譜；圖4是實驗獲得的銫原子的EIT光譜，圖4中的1、2、3、4、5、6各代表一個子EIT光 譜；通過標定EIT光譜的峰值對應的躍迀組合，計算出分裂間隔的寬度，從而推導出磁場強 度B。如測量出1、2之間的分裂間隔，該分裂間隔包含了對應于子EIT光譜1的躍迀組合發 生的能級移動以及對應于子EIT光譜2的躍迀組合發生的能級移動；因此根據測量出的1、 2之間的分裂間隔就可以獲得關于這兩個子EIT光譜的能級移動總和，而這兩個子EIT光譜 的能級移動公式以及相關的參數都是已知的（除了待測磁場B)，這樣就可以反推出待測磁 場B 0
[0025] 本發明所述的基于電磁感應透明效應測量微弱磁場場強的裝置是采用如下技術 方案實現的：一種基于電磁感應透明效應測量微弱磁場場強的裝置，包括探測激光器、順次 位于探測激光器出射光路上的第一 1/2玻片以及第一 PBS分光棱鏡；第一 PBS分光棱鏡的 反射光路上設有飽和吸收光譜穩頻裝置，飽和吸收光譜穩頻裝置的信號輸出端與探測激光 器的電壓控制端口相連接；第一 PBS分光棱鏡的透射光路上順次設有第二1/2玻片、第二 PBS分光棱鏡、內充堿金屬原子且側壁上設有入射窗口和出射窗口的原子氣室以及平衡探 測器；原子氣室位于第二PBS分光棱鏡的透射光路上；第二PBS分光棱鏡的反射光路上設 有第一反射鏡；第一反射鏡的反射光路與第二PBS分光棱鏡的透射光路平行并穿過原子氣 室；還包括耦合光激光器，耦合光激光器的出射光路上設有移頻裝置，移頻裝置的出射光路 上順次設有凸透鏡和第二反射鏡，第二反射鏡的反射光路上設有位于原子氣室和平衡探測 器之間的雙色反射鏡；雙色反射鏡的反射光路與第二PBS分光棱鏡的透射光路反向重合； 所述探測激光器出射的探測光中心波長與堿金屬原子的基態到第一激發態的躍迀共振，耦 合光激光器出射的耦合光中心波長與堿金屬原子的第一激發態到高激發態的躍迀共振；所