一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统

1.本发明涉及原子自旋磁场测量和全息技术领域，特别是一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，通过对全息光场的调控，可同时对原子极化光场的振幅、相位和偏振进行调制，为原子高效极化提供方案，可服务于高精度原子自旋磁场测量装置的研制等。


背景技术：

2.原子自旋磁场测量装置利用原子自旋效应实现磁场测量，它的理论精度极限仅与其量子噪声和基本物理常数有关，具有超高精度磁场测量的潜力，在人体磁场检测、磁异常探测、资源勘探等领域起着极为重要的作用。基于原子自旋的磁场测量装置是以碱金属原子为敏感核心，通过对极化的碱金属原子自旋进动信号检测实现磁场超高精度测量，原子自旋极化直接影响着最终的磁场测量灵敏度和精度。原子自旋极化主要依赖光抽运技术，在光抽运作用下，碱金属原子极化，目前主要通过优化抽运光场质量、原子系综配比、原子密度等参数提高极化效率，调控手段单一，并且难以快速精准控制。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，该系统能够同时实现对极化光场的振幅、相位和偏振进行调制，增加光场调控能力，为高精度原子自旋磁场测量装置的研制提供了基础。
4.本发明的技术解决方案如下：
5.一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，包括在碱金属气室抽运光入射侧设置的全息信号光光路和全息参考光光路，在碱金属气室抽运光出射侧设置的第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件，所述全息信号光穿越所述碱金属气室后入射到所述第一电荷耦合器件，所述全息参考光在所述碱金属气室中与所述全息信号光交叉后出射到所述第二电荷耦合器件，所述第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件分别连接数据采集处理系统。
6.所述全息信号光与所述全息参考光干涉形成全息极化光场，对碱金属原子极化。
7.所述全息信号光依次通过第一四分之一波片和衰减片连接偏振分光棱镜的透射侧，所述全息参考光依次通过第二四分之一波片和第二反射镜连接所述偏振分光棱镜的反射侧，所述偏振分光棱镜的入射侧依次通过第二半波片和空间光调制器连接抽运光激光器。
8.所述空间光调制器为反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器依次通过第一反射镜、偏振片、第一半波片和扩束镜连接所述抽运光激光器。
9.所述空间光调制器为透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器依次通过偏振片、第一半波片和扩束镜连接所述抽运光激光器。
10.所述全息信号光与全息参考光交叉角θ2≤5mrad，形成全息干涉光场，对所述碱金属气室内的原子分布进行调制。
11.所述反射式空间光调制器的入射光入射角θ1≤0.1rad。
12.所述第二半波片调节抽运光的偏振，所述偏振分光棱镜输出水平偏振全息信号光和竖直偏振全息参考光，所述衰减片调节水平偏振全息信号光强度，所述第一四分之一波片通过旋转形成所需偏振态的全息信号光射入碱金属气室内，所述第二四分之一波片通过旋转形成所需偏振态的全息参考光射入碱金属气室内。
13.本发明的技术效果如下：本发明是一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，包括抽运光激光器、扩束镜、第一半波片、偏振片、第一反射镜、空间光调制器、第二半波片、偏振分光棱镜、第二反射镜、衰减片、第一四分之一波片、第二四分之一波片、碱金属气室、第一电荷耦合器件、第二电荷耦合器件、数据采集处理系统，其中，碱金属气室内充有碱金属原子，通过空间光调制器可调控全息抽运光的相位、强度分布，偏振分光棱镜将抽运光分为全息信号光与全息参考光，通过旋转四分之一波片可调节进入碱金属气室的全息信号光与全息参考光的偏振特性。本发明将全息方法的光场调控与原子光抽运结合在一起，通过全息光场实现碱金属气室内原子的非线性增强，提高系统抽运光场调控能力，进行原子高效极化，为原子自旋磁场测量装置的高效极化与精准控制提供了基础。
附图说明
14.图1是实施本发明一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统的结构示意图。
15.图2是实施本发明一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统的另一结构示意图。
16.附图标记说明如下：1-抽运光激光器；2-扩束镜；3-第一半波片；4-偏振片；5-第一反射镜；6-空间光调制器(图1中为反射式空间光调制器，图2中为透射式空间光调制器)；7-第二半波片；8-偏振分光棱镜；9-第二反射镜；10-衰减片；11-第一四分之一波片；12-第二四分之一波片；13-碱金属气室；14-第一电荷耦合器件；15-第二电荷耦合器件；16-数据采集处理系统；θ
1-反射式空间光调制器入射光入射角；θ
2-全息信号光与全息参考光交叉角。
具体实施方式
17.下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。
18.图1是实施本发明一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统的结构示意图。图2是实施本发明一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统的另一结构示意图。参考图1至图2所示，一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，包括在碱金属气室13抽运光入射侧设置的全息信号光光路和全息参考光光路，在碱金属气室13抽运光出射侧设置的第一电荷耦合器件14和第二电荷耦合器件15，所述全息信号光穿越所述碱金属气室13后入射到所述第一电荷耦合器件14，所述全息参考光在所述碱金属气室13中与所述全息信号光交叉后出射到所述第二电荷耦合器件15，所述第一电荷耦合器件14和第二电荷耦合器件15分别连接数据采集处理系统16。所述全息信号光与所述全息参考光干涉形成全息极化光场，对碱金属原子极化。
19.所述全息信号光依次通过第一四分之一波片11和衰减片10连接偏振分光棱镜8的透射侧，所述全息参考光依次通过第二四分之一波片12和第二反射镜9连接所述偏振分光棱镜8的反射侧，所述偏振分光棱镜8的入射侧依次通过第二半波片7和空间光调制器6连接
抽运光激光器1。所述空间光调制器6为反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器依次通过第一反射镜5、偏振片4、第一半波片3和扩束镜2连接所述抽运光激光器1。所述空间光调制器6为透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器依次通过偏振片4、第一半波片3和扩束镜2连接所述抽运光激光器1。
20.所述全息信号光与全息参考光交叉角θ2≤5mrad，形成全息干涉光场，对所述碱金属气室内的原子分布进行调制。所述反射式空间光调制器的入射光入射角θ1≤5度。所述第二半波片7调节抽运光的偏振，所述偏振分光棱镜8输出水平偏振全息信号光和竖直偏振全息参考光，所述衰减片10调节水平偏振全息信号光强度，所述第一四分之一波片11通过旋转形成所需偏振态的全息信号光射入碱金属气室13内，所述第二四分之一波片12通过旋转形成所需偏振态的竖直偏振全息参考光射入碱金属气室13内。
21.本发明一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，如图1所示，包括抽运光激光器1、扩束镜2、第一半波片3、偏振片4、第一反射镜5、空间光调制器6、第二半波片7、偏振分光棱镜8、第二反射镜9、衰减片10、第一四分之一波片11、第二四分之一波片12、碱金属气室13、第一电荷耦合器件14、第二电荷耦合器件15、数据采集处理系统16、空间光调制器入射角θ1、全息信号光与全息参考光进入气室夹角θ2。
22.整个系统的工作过程为：
23.抽运激光器1输出的线偏振光的中心波长与其泵浦的碱金属气室13内碱金属原子d1线的中心波长对应，线偏振光通过扩束镜2扩束后保证输入碱金属气室13的光束直径达到匹配尺寸；扩束后的抽运光通过第一半波片3调节其偏振态，并与偏振片4的偏振匹配，保证大部分的光能够通过偏振片4，一般为水平或竖直偏振的光，由空间光调制器6的特性决定；通过偏振片4的抽运光由第一反射镜5反射以小角度θ1(θ1小于0.1rad)传输到反射式空间光调制器6，抽运光被空间光调制器后射出携带相应的振幅、相位分布的光，根据调制需求此处所选取空间光调制器类型不同，可选用振幅、振幅兼相位或纯相位型。
24.参见图2，若采用透射式空间光调制器，通过偏振片4的抽运光可直接垂直入射进空间光调制器6，抽运光被空间光调制器后射出携带相应的振幅、相位分布的光。
25.经第二半波片7可以调节光的偏振，通过偏振分光棱镜8输出一定比例的水平偏振全息信号光与竖直偏振全息参考光；水平偏振的全息信号光通过衰减片10调节其强度，通过旋转第一四分之一波片11形成一定角度得到所需偏振态的全息信号光射入碱金属气室13内；竖直偏振的全息信号光通过一定角度的第二四分之一波片12得到所需偏振态的全息参考光射入碱金属气室13内，碱金属原子介质具有非线性特性，可以作为偏振全息材料，因此全息信号光与全息参考光可以是同偏振也可以是不同偏振，可根据调制需求设置；全息信号光与全息参考光在碱金属气室13内以小角度θ2(θ2小于5mrad)交会，形成全息干涉光场，对碱金属气室13内的原子分布进行调制，射出的全息信号光、全息参考光分别由第一电荷耦合器件14、第二电荷耦合器件15接收，并传输到数据采集处理系统16中进行分析。
26.本发明的技术效果如下：本发明一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，通过全息信号光与全息参考光在碱金属气室内干涉形成全息光场，通过调控空间光调制器可以让全息信号光与全息参考光携带有效振幅与相位信息，不同全息信号光与全息参考光的振幅、相位与偏振分布将在全息介质内形成不同的全息光场，并形成一定的衍射，通过观测光场变化能够对原子极化实现有效调控。
27.本发明与现有技术相比的优点在于：本发明不仅能够通过优化抽运光场质量、原子系综配比、原子密度等参数优化极化，同时可以对抽运光场进行更多维的调控，该系统通过全息光场的形成，能够同时实现对抽运光场的振幅、相位和偏振的控制，大幅增加光场调控能力，进而进行高效极化，为高精度原子自旋磁场测量装置的研制提供了基础。
28.一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，包括抽运光激光器1、扩束镜2、第一半波片3、偏振片4、第一反射镜5、空间光调制器6、第二半波片7、偏振分光棱镜8、第二反射镜9、衰减片10、第一四分之一波片11、第二四分之一波片12、碱金属气室13、第一电荷耦合器件14、第二电荷耦合器件15、数据采集处理系统16；抽运光激光器1发出的泵浦光经过扩束镜2、第一半波片3、偏振片4、第一反射镜5后，以小角度(小于0.1rad)射入空间光调制器6，经空间光调制器调制后出射抽运光，经过第二半波片7，抽运光由偏振分光棱镜8分束为全息信号光和全息参考光后进入碱金属气室13。
29.所述空间光调制器6是反射式，若为透射式空间光调制器，可由偏振片4出射的光直接垂直射入，空间光调制器6可以是振幅型或相位型，射入空间光调制器的光由空间光调制器调制后携带振幅或相位分布信息。
30.所述全息信号光为经由偏振分光棱镜8后透射的水平偏振光，通过旋转衰减片10控制全息信号光的振幅强度，通过旋转第一四分之一波片11形成不同角度获得所需偏振光进入碱金属气室13。
31.所述全息参考光为经由偏振分光棱镜8后反射的竖直偏振光，通过第二反射镜9、第二四分之一波片12进入碱金属气室13，通过旋转第二四分之一波片12形成不同角度获得所需偏振光进入碱金属气室13。
32.所述全息信号光与全息参考光以小角度夹角进入碱金属气室13，角度小于等于5mrad，在碱金属气室13内交会形成全息极化光场，通过激光泵浦作用将大量碱金属原子最外层电子自旋形成宏观极化。
33.所述全息信号光与全息参考光由碱金属气室13出射后，分别射入第一电荷耦合器件14、第二电荷耦合器件15，进入电荷耦合器件图像传感器的光信号被转换成模拟电流信号输送给数据采集处理系统16处理与分析。
34.所述碱金属气室13中冲有碱金属原子和缓冲气体，碱金属原子为工作原子，具有非线性特性；缓冲气体为惰性气体和氮气，用来抑制泡壁碰撞弛豫和减少辐射捕获。
35.一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，该系统由抽运光激光器1、扩束镜2、第一半波片3、偏振片4、第一反射镜5、空间光调制器6、第二半波片7、偏振分光棱镜8、第二反射镜9、衰减片10、第一四分之一波片11、第二四分之一波片12、碱金属气室13、第一电荷耦合器件14、第二电荷耦合器件15、数据采集处理系统16组成；抽运光激光器发出的抽运光经过扩束镜2扩束后由第一半波片3和偏振片4形成匹配的偏振光经第一反射镜5反射后以小角度入射空间光调制器6，反射输出的抽运光经由第二半波片7和偏振分光棱镜8分为全息信号光与全息参考光两路，在碱金属气室13内交会后出射，出射的光场分布分别由第一电荷耦合器件14、第二电荷耦合器件15接收并传输到数据采集处理系统16。
36.所述的匹配的偏振光由空间光调制器6的特性决定，通常为水平偏振光或竖直偏振光。
37.所述的空间光调制器6为反射型，若空间光调制器采用透射型，则无需第一反射镜
5反射可直接由匹配偏振光垂直入射空间光调制器6。
38.所述的抽运光经由空间光调制器6将调制的相位或振幅信息写入光波，反射输出的抽运光携带所需的相位或振幅信息。
39.碱金属气室13内冲有碱金属原子，碱金属原子为工作原子，具有非线性特性，可作为全息材料。
40.所述全息信号光与全息参考光在碱金属气室13内交汇后，全息信号光与全息参考光干涉形成全息极化光场，对碱金属原子极化。
41.所述第一电荷耦合器件14接收的是碱金属原子极化后的全息信号光的光场分布，第二光电探测器15接收的是碱金属原子极化后的全息参考光的光场分布，进入数据采集处理系统进行数据处理。
42.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

技术特征：
1.一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，包括在碱金属气室抽运光入射侧设置的全息信号光光路和全息参考光光路，在碱金属气室抽运光出射侧设置的第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件，所述全息信号光穿越所述碱金属气室后入射到所述第一电荷耦合器件，所述全息参考光在所述碱金属气室中与所述全息信号光交叉后出射到所述第二电荷耦合器件，所述第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件分别连接数据采集处理系统。2.根据权利要求1所述的基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，所述全息信号光与所述全息参考光干涉形成全息极化光场，对碱金属原子极化。3.根据权利要求1所述的基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，所述全息信号光依次通过第一四分之一波片和衰减片连接偏振分光棱镜的透射侧，所述全息参考光依次通过第二四分之一波片和第二反射镜连接所述偏振分光棱镜的反射侧，所述偏振分光棱镜的入射侧依次通过第二半波片和空间光调制器连接抽运光激光器。4.根据权利要求3所述的基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，所述空间光调制器为反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器依次通过第一反射镜、偏振片、第一半波片和扩束镜连接所述抽运光激光器。5.根据权利要求3所述的基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，所述空间光调制器为透射式空间光调制器，所述透射式空间光调制器依次通过偏振片、第一半波片和扩束镜连接所述抽运光激光器。6.根据权利要求1所述的基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，所述全息信号光与全息参考光交叉角θ2≤5mrad，形成全息干涉光场，对所述碱金属气室内的原子分布进行调制。7.根据权利要求4所述的基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，所述反射式空间光调制器的入射光入射角θ1≤0.1rad。8.根据权利要求3所述的基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，其特征在于，所述第二半波片调节抽运光的偏振，所述偏振分光棱镜输出水平偏振全息信号光和竖直偏振全息参考光，所述衰减片调节水平偏振全息信号光强度，所述第一四分之一波片通过旋转形成所需偏振态的全息信号光射入碱金属气室内，所述第二四分之一波片通过旋转形成所需偏振态的竖直偏振全息参考光射入碱金属气室内。

技术总结
一种基于全息光场调控的碱金属原子极化系统，该系统能够同时实现对极化光场的振幅、相位和偏振进行调制，增加光场调控能力，为高精度原子自旋磁场测量装置的研制提供了基础，其特征在于，包括在碱金属气室抽运光入射侧设置的全息信号光光路和全息参考光光路，在碱金属气室抽运光出射侧设置的第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件，所述全息信号光穿越所述碱金属气室后入射到所述第一电荷耦合器件，所述全息参考光在所述碱金属气室中与所述全息信号光交叉后出射到所述第二电荷耦合器件，所述第一电荷耦合器件和第二电荷耦合器件分别连接数据采集处理系统。连接数据采集处理系统。连接数据采集处理系统。


技术研发人员：刘颖 李佳洁 翟跃阳
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/8/14