磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法

摘要

本发明公开一种磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法，该方法首先确定磁场脉冲的持续时间t，t满足t＜Talk，其中，Talk为碱金属原子的自旋交换碰撞时间；然后根据外界磁场和碱金属旋磁比，采用下式计算出脉冲周期T的范围t＜T＜1/γalkB，再根据γalkB0t＝2π计算自旋矢量旋转弧度为2π时所需的磁场脉冲幅值B0，最后确定原子磁强计的泵浦光线和检测光线所在平面XOY，向垂直于该平面的Z轴施加磁场脉冲，进行弛豫抑制。该方法使碱金属原子在脉冲期间不产生进动，从而使原子磁强计维持在无自旋交换弛豫态，从而提高了原子磁强计的稳定性。

权利要求

1.一种磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：（1）确定磁场脉冲的持续时间t，t满足t＜Talk，其中，Talk为碱金属原子的自旋交换碰撞时间。

（2）根据外界磁场和碱金属旋磁比，采用下式计算出脉冲周期T的范围t＜T＜1/（γalkB）

其中，γalk表示碱金属原子的旋磁比，B是外界磁场的强度；

（3）根据下式计算自旋矢量旋转弧度为2π时所需的磁场脉冲幅值B0γalkB0t=2π

（4）确定原子磁强计的泵浦光线和检测光线所在平面XOY，向垂直于该平面的Z轴施加磁场脉冲，进行弛豫抑制。

2.根据权利要求1所述的磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法，其特征在于，所述的磁场脉冲施加方式为：沿着Z轴正向连续施加，或者沿着Z轴负向连续施加，或者Z轴正向和负向交替施加。

3.根据磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法，其特征在于，所述的脉冲周期T满足2

t＜T＜1/（10γalkB）。

说明书

磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及量子仪器和测量的领域，具体涉及一种磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法。

背景技术

[0002] 具有高灵敏度的微弱磁场测量装置在工业、农业、地质探测、国防等众多领域都有着广泛应用。随着量子操控技术的快速发展，出现了很多应用新原理和新效应的超高灵敏磁场装置。其中，尤其是基于无自旋交换弛豫理论的（Spin‑Exchange Relaxation Free，SERF）原子磁强计取得了快速的发展。自然状态下，原子的自旋是杂乱无章的，采用一束圆偏振激光，将原子抽运到一个特定的塞曼子能级上，可以使原子具有一个宏观的指向，而自旋交换碰撞会重新分配原子的能级，限制原子的相干寿命，即破坏了自旋极化的碱金属原子在外磁场作用下进行的连续性，导致信号信噪比降低、系统线宽增宽。因此，抑制自旋交换碰撞弛豫就成为原子自旋超高灵敏度磁场装置的重要研究方向。

[0003] 目前主要采用的方法包括磁屏蔽和磁补偿来降低原子所处的剩磁环境、提高抽运光的性能等，但包括自旋投影噪声和光子散粒噪声在内的量子基础噪声无法通过以上方法消除，因此，需要从原子自旋演化的角度进行考虑，设计一种能够使原子的自旋矢量不受相互碰撞的影响而处于有序状态的方法。

[0004] 碱金属原子在外磁场作用下时，自旋矢量会旋转，称为拉莫尔进动，频率与外磁场幅值成正比，如果施加特定频率和幅值的磁场脉冲，就能让原子的自旋矢量产生特定弧度的进动。射频磁场脉冲是核磁共振检测的基本手段，其作用是将能量传递给原子。可见，磁场脉冲在原子操控方面具有较好的技术优势，将其结合在原子磁场计中，根据不同碱金属的旋磁比，选择适当的脉冲占空比，可以从原理上有效的抑制自旋交换碰撞弛豫。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提出一种磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法，该方法能够减少原子的自旋矢量因为自旋碰撞而成为无序的混乱状态。

[0006] 本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

[0007] 一种磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法，该方法包括如下步骤：

[0008] （1）确定磁场脉冲的持续时间t，t满足t＜Talk，其中，Talk为碱金属原子的自旋交换碰撞时间；

[0009] （2）根据外界磁场和碱金属旋磁比，采用下式计算出脉冲周期T的范围[0010] t＜T＜1/（γalkB）

[0011] 其中，γalk表示碱金属原子的旋磁比，B是外界磁场的强度；

[0012] （3）根据下式计算自旋矢量旋转弧度为2π时所需的磁场脉冲幅值B0[0013] γalkB0t=2π

[0014] （4）确定原子磁强计的泵浦光线和检测光线所在平面XOY，向垂直于该平面的Z轴施加磁场脉冲，进行弛豫抑制。

[0015] 进一步地，所述的磁场脉冲施加方式为：沿着Z轴正向连续施加，或者沿着Z轴负向连续施加，或者Z轴正向和负向交替施加。

[0016] 进一步地，所述的脉冲周期T满足

[0017] t＜T＜1/（102γalkB）。

[0018] 本发明的有益效果如下：

[0019] 本发明的方法利用了原子会在外界磁场作用下产生拉莫尔进动这一物理性质，考虑了不同原子自旋交换碰撞时间这一固有参数不同的情况，通过设计脉冲周期范围，使碱金属原子在脉冲期间不产生进动，从而使原子磁强计维持在无自旋交换弛豫态，从而提高了原子磁强计的稳定性。该方法能够应用于医疗、军事等多个领域的微弱磁场测试，对提高原子磁强计灵敏度、促进磁强计小型化、产业化发展有着积极的意义。

附图说明

[0020] 图1为该方法的操作流程图；

[0021] 图2为原子自旋矢量在脉冲磁场作用下旋转了π弧度的示意图。

具体实施方式

[0022] 下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0023] 如图1所示，本发明的磁场脉冲操控的碱金属原子自旋交换碰撞弛豫抑制方法包括如下步骤：

[0024] （1）确定磁场脉冲的持续时间t，t满足t＜Talk，其中，Talk为碱金属原子的自旋交换碰撞时间；

[0025] （2）根据外界磁场和碱金属旋磁比，采用下式计算出脉冲周期T的范围[0026] t＜T＜1/（γalkB）

[0027] 其中，γalk表示碱金属原子的旋磁比，B是外界磁场的强度；

[0028] （3）根据下式计算自旋矢量旋转弧度为2π时所需的磁场脉冲幅值B0[0029] γalkB0t=2π

[0030] （4）确定原子磁强计的泵浦光线和检测光线所在平面XOY，向垂直于该平面的Z轴施加磁场脉冲，进行弛豫抑制。

[0031] 为了通过连续抽运的方式降低自旋交换碰撞弛豫，所述的磁场脉冲施加方式为：沿着Z轴正向连续施加，或者沿着Z轴负向连续施加，或者Z轴正向和负向交替施加。

[0032] 为了使抽运时间小于自旋交换碰撞时间，所述的脉冲周期T满足

[0033] t＜T＜1/（102γalkB）。

[0034] 如图2所示，为采用本发明的方法使得原子自旋矢量在脉冲磁场作用下旋转了π弧度的示意图。X方向为泵浦光方向，Y方向为检测光方向，沿着垂直于XY平面的Z轴施加脉冲磁场。自旋矢量将以脉冲磁场为轴进行旋转，根据步骤（3），其脉冲磁场的幅值是使自旋矢量旋转了π弧度。

[0035] 本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。