技术领域
[0001] 本
发明涉及量子传感仪器测量技术，特别是一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测方法及装置，通过在原子传感模
块与第二格兰泰勒棱镜之间设置空间光调制器实现，所述空间光调制器将来自所述原子传感模块携带的旋光
角信息进行多通道调制，以得到多通道原子自旋进动
信号的检测结果，对于研制新型超高灵敏惯性和
磁场测量装置的小型化和集成化提供了新的思路，可服务于地质勘探、
生物医疗成像、
基础物理研究。
背景技术
[0002] 随着量子
力学和量子光学的蓬勃发展以及原子操控技术的快速发展，近年来以原子作为敏感介质的传感技术多次获得物理学诺贝尔奖，冷原子领域(1997年、2001年诺贝尔物理学奖)、量子光学领域(2005年、2012年诺贝尔物理学奖)，使得基于原子调控理论与技术得到了快速发展，开启了精密测量领域的新时代。基于原子无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free，SERF)效应的惯性测量以及磁场测量技术随之快速发展，SERF原子
陀螺仪潜力远超
转子陀螺仪和光学陀螺仪，SERF原子磁场测量在2010年已经实现0.16fT/Hz1/2最高磁场测量灵敏度，由于高灵敏度、小体积、无需制冷等优点有潜力替代SQUID
磁强计成为生物磁场探测，磁源
定位装置。
[0003] 无论是原子超高灵敏惯性测量技术还是原子超高灵敏磁场测量技术，都是通过线偏振光与原子的相互作用提取原子自旋携带角速率或磁场信息，原子自旋进动检测为关键技术之一。随着灵敏度的快速提升以及生物磁场成像的快速发展，开展多通道原子自旋检测技术研究对基于原子自旋效应的磁场惯性测量装置的集成化，小型化及其实用化工程化具有重大意义。
[0004] 原子进动检测检测通常采用偏光检测方法：差分偏振法、法拉第调制法以及光弹调制法。对于多通道原子自旋检测来说，差分偏振法缺乏调制，信号低频响应差，无法同时获取多通道信号；法拉第调制法应用线圈产生可变磁场进行调制，环境条件复杂需要磁屏蔽和
温度控制，无法同时解调多通道信号；光弹调制器，所需控制机械结构复杂，并且解调
频率固定，无法同时解调多通道信号。目前使用上述三种方法进行多通道原子自旋检测，使用一个检测解调器件不能保证多通道信号的同时性，使用多个检测解调器件不仅器件数量和多通道数量要求一致，对其后续信号
数据处理设备
锁相
放大器等相应装置数量增加，加大了整体装置的复杂性，降低了整体工程应用性，不利于装置的集成化、小型化。目前现有的原子自旋进动检测方法难以同时实现可工业集成化，多通道信号无延时解调获取。
发明内容
[0005] 本发明针对
现有技术中存在的
缺陷或不足，提供一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测方法及装置，通过在原子传感模块与第二格兰泰勒棱镜之间设置空间光调制器实现，所述空间光调制器将来自所述原子传感模块携带的旋光角信息进行多通道调制，以得到多通道原子自旋进动信号的检测结果，对于研制新型超高灵敏惯性和磁场测量装置的小型化和集成化提供了新的思路，可服务于地质勘探、生物医疗成像、基础物理研究。
[0006] 本发明技术方案如下：
[0007] 一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测方法，其特征在于，包括以下步骤：在原子传感模块与第二格兰泰勒棱镜之间设置空间光调制器，所述空间光调制器将来自所述原子传感模块携带的旋光角信息进行多通道调制，以得到多通道原子自旋进动信号的检测结果。
[0008] 所述空间光调制器由计算机生成的灰度图像驱动
液晶扭转，根据应用需求将调制器镜面划分为不同尺寸以进行多通道调制，每个通道图片灰度根据需要加载将信号调制至不同调制频率或频段。
[0009] 所述计算机生成的灰度图像为8位灰度图，所述8位灰度图具有0至255级灰度。
[0010] 所述计算机连接多通道
锁相放大器，所述计算机将所述不同调制频率设定为所述多通道锁相放大器的多通道参考频率，所述多通道锁相放大器根据所述多通道参考频率对信号进行解调，以实现原子自旋进动多通道无延时检测，并且通过信号采集处理
电路处理后同时得到不同空间
位置的多通道信号测量结果。
[0011] 一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测装置，其特征在于，包括设置在原子传感模块与第二格兰泰勒棱镜之间的空间光调制器，所述第二格兰泰勒棱镜依次通过第三凸透镜、第四凸透镜和光电探测器连接多通道锁相放大器，所述空间光调制器和所述多通道锁相放大器均分别连接计算机，所述多通道锁相放大器连接信号采集处理电路，所述空间光调制器将来自所述原子传感模块携带的旋光角信息进行多通道调制，所述空间光调制器由计算机生成的8位灰度图像驱动液晶扭转，根据应用需求将调制器镜面划分为不同尺寸以进行多通道调制，每个通道图片灰度根据需要加载将信号调制至不同调制频率或频段，所述计算机将所述不同调制频率设定为所述多通道锁相放大器的多通道参考频率，所述多通道锁相放大器根据所述多通道参考频率对信号进行解调，以实现原子自旋进动多通道无延时检测，并且通过信号采集处理电路处理后同时得到不同空间位置的多通道信号测量结果。
[0012] 所述原子传感模块依次通过第一格兰泰勒棱镜、第二凸透镜、第一凸透镜、偏振分光棱镜和1/2波片连接检测
激光器。
[0013] 所述偏振分光棱镜连接
波长计，所述偏振分光棱镜将来自所述检测激光器的激光光束分成两路，其中一路进入所述波长计，另一路进入所述第一凸透镜。
[0014] 所述原子传感模块包括位于磁屏蔽系统内的
碱金属气室，所述碱金属气室连接有光抽运系统。
[0015] 所述光抽运系统将所述碱金属气室内的原子极化，所述磁屏蔽系统经过主动和/或被动磁补偿方式使原子处于无自旋交换弛豫状态，在外部的磁场和角速率的作用下，极化的原子进行拉莫尔进动，因此在检测光方向极化率分布发生变化，所述检测激光器发出失谐共振峰激光，经过所述1/2波片进入所述偏振分光棱镜形成反射光和
透射光，所述反射光进入所述波长计以监控检测光束波长变化，所述透射光依次经过第一凸透镜和第二凸透镜完成扩束后的扩束光束通过第一格兰泰勒棱镜后形成为偏振方向与所述空间光调制器长轴方向一致的线偏振光，所述线偏振光经过原子传感模块中的原子作用后，入射线偏振光的光轴改变产生旋光角，所述原子传感模块输出携带旋光角信息的光束给所述空间光调制器。
[0016] 所述多通道锁相放大器带有前置放大器；所述碱金属气室内部充制有碱金属原子、缓冲气体氦气和淬灭氮气，所述碱金属原子包括
钾、铷和铯，气室内部大于等于3个
大气压以减少碱金属扩散效应；所述光抽运系统中的抽运激光器发出的激光波长为碱金属原子D1线以使原子极化，所述检测激光器发射激光波长在碱金属原子D2线附近失谐；所述第一格兰泰勒棱镜为起偏器，所述第二格兰泰勒棱镜为检偏器，所述第一格兰泰勒棱镜和所述第二格兰泰勒棱镜处于互相消光位置以提高信号检测灵敏度，消光比达到10000：1；所述空间光调制器采用相列液晶组成，将液晶材料的光电性能特性与
硅基数字电路相结合，其工作波长为405nm至1550nm，每个波长对应其内部校准文件，使得8位0至255级灰度输入所述空间光调制器能得到0至2π的
相位调制量，
分辨率为1920*1080，有效镜面阵列尺寸为17.6*10.7mm，
像素点尺寸为9.2μm，最大
帧频为845Hz。
[0017] 本发明技术效果如下：本发明一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测方法及装置，属于针对现有原子自旋进动检测方法不能保证多通道信号解调的同时性，解调器件数量多后续数据处理繁琐的缺点，而提出的一种基于空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)的新检测方法和装置，具有可同时解调获取多通道多组信号，可根据自身需求灵活划分通道数目，体积小，操作简单等特性。本发明不仅操作简单，设计性强，可以根据使用者需求不改变器件只通过
软件更改多通道数目，并且可以检测到多通道无延时原子进动信号，可服务于未来原子自旋
传感器件的工业集成和实际应用。在原子无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)原子精密测量中都利用碱金属原子感受外界磁场和角速率变化，随着灵敏度的快速提升以及生物磁场成像的快速发展，开展多通道原子自旋检测技术研究测量装置的集成化，小型化及其工程化具有重大意义。
附图说明
[0018] 图1是实施本发明一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测装置结构示意图。
[0019] 图2是空间光调制器四通道灰度图随时间变化调制示意图。图2中左上为第1通道，右上为第2通道，左下为第3通道，右下为第4通道，t表示时间。
[0020] 附图标记列示如下：1-检测激光器；2-1/2波片(二分之一波片，产生附加光程差或
相位差为λ/2)；3-偏振分光棱镜(将激光光束分成两路，其中一路向上进入波长计17，另一路进入第一凸透镜4)；4-第一凸透镜；5-第二凸透镜；6-第一格兰泰勒棱镜；7-原子传感模块；8-空间光调制器；9-第二格兰泰勒棱镜；10-第三凸透镜；11-第四凸透镜；12-光电探测器；13-多通道锁相放大器；14-信号采集处理电路；15-计算机；16-光抽运系统；17-波长计；18-磁屏蔽系统；19-碱金属气室。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。
[0022] 图1是实施本发明一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测装置结构示意图。图2是空间光调制器四通道灰度图随时间变化调制示意图。参考图1至图2所示，一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测方法，包括以下步骤：在原子传感模块7与第二格兰泰勒棱镜9之间设置空间光调制器8，所述空间光调制器8将来自所述原子传感模块7的携带旋光角信息的光束进行多通道调制，以得到多通道原子自旋进动信号的检测结果。所述空间光调制器8由计算机15生成的灰度图像驱动液晶扭转，根据应用需求将调制器镜面划分为不同尺寸以进行多通道调制，每个通道图片灰度根据需要加载将信号调制至不同调制频率或频段。所述计算机15生成的灰度图像为8位灰度图，所述8位灰度图具有0至255级灰度。所述计算机15连接多通道锁相放大器13，所述计算机15将所述不同调制频率设定为所述多通道锁相放大器13的多通道参考频率，所述多通道锁相放大器13根据所述多通道参考频率对信号进行解调，以实现原子自旋进动多通道无延时检测，并且通过信号采集处理电路14处理后同时得到不同空间位置的多通道信号测量结果。
[0023] 一种基于空间光调制器的原子自旋多通道检测装置，包括设置在原子传感模块7与第二格兰泰勒棱镜9之间的空间光调制器8，所述第二格兰泰勒棱镜9依次通过第三凸透镜10、第四凸透镜11和光电探测器12连接多通道锁相放大器13，所述空间光调制器8和所述多通道锁相放大器13均分别连接计算机15，所述多通道锁相放大器13连接信号采集处理电路14，所述空间光调制器8将来自所述原子传感模块7的携带旋光角信息的光束进行多通道调制，所述空间光调制器8由计算机15生成的8位灰度图像驱动液晶扭转，根据应用需求将调制器镜面划分为不同尺寸以进行多通道调制，每个通道图片灰度根据需要加载将信号调制至不同调制频率或频段，所述计算机15将所述不同调制频率设定为所述多通道锁相放大器13的多通道参考频率，所述多通道锁相放大器13根据所述多通道参考频率对信号进行解调，以实现原子自旋进动多通道无延时检测，并且通过信号采集处理电路14处理后同时得到不同空间位置的多通道信号测量结果。
[0024] 所述原子传感模块7依次通过第一格兰泰勒棱镜6、第二凸透镜5、第一凸透镜4、偏振分光棱镜4和1/2波片2连接检测激光器1。所述偏振分光棱镜4连接波长计17，所述偏振分光棱镜4将来自所述检测激光器1的激光光束分成两路，其中一路进入所述波长计17，另一路进入所述第一凸透镜4。所述原子传感模块7包括位于磁屏蔽系统18内的碱金属气室19，所述碱金属气室19连接有光抽运系统16。所述光抽运系统16将所述碱金属气室19内的原子极化，所述磁屏蔽系统18经过主动和/或被动磁补偿方式使原子处于无自旋交换弛豫状态，在外部的磁场和角速率的作用下，极化的原子进行拉莫尔进动，因此在检测光方向极化率分布发生变化，所述检测激光器1发出失谐共振峰激光，经过所述1/2波片2进入所述偏振分光棱镜3形成反射光和透射光，所述反射光进入所述波长计17以监控检测光束波长变化，所述透射光依次经过第一凸透镜4和第二凸透镜5完成扩束后的扩束光束通过第一格兰泰勒棱镜6后形成为偏振方向与所述空间光调制器8长轴方向一致的线偏振光，所述线偏振光经过原子传感模块7中的原子作用后，入射线偏振光的光轴改变产生旋光角，所述原子传感模块7输出携带旋光角信息的光束给所述空间光调制器8。所述多通道锁相放大器13带有前置放大器；所述碱金属气室19内部充制有碱金属原子、缓冲气体氦气和淬灭氮气，所述碱金属原子包括钾、铷和铯，气室内部大于等于3个大气压以减少碱金属扩散效应；所述光抽运系统16中的抽运激光器发出的激光波长为碱金属原子D1线以使原子极化，所述检测激光器1发射激光波长在碱金属原子D2线附近失谐；所述第一格兰泰勒棱镜6为起偏器，所述第二格兰泰勒棱镜9为检偏器，所述第一格兰泰勒棱镜6和所述第二格兰泰勒棱镜9处于互相消光位置以提高信号检测灵敏度，消光比达到10000：1；所述空间光调制器8采用相列液晶组成，将液晶材料的光电性能特性与硅基数字电路相结合，其工作波长为405nm至1550nm，每个波长对应其内部校准文件，使得8位0至255级灰度输入所述空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)能得到0至2π的相位调制量，分辨率为1920*1080，有效镜面阵列尺寸为17.6*10.7mm，像素点尺寸为9.2μm，最大帧频为845Hz。
[0025] 图1为本发明装置的结构示意图，由图可见，本发明装置中包括检测激光器1、1/2波片2、偏振分光棱镜3、凸透镜4、凸透镜5、格兰泰勒棱镜6、原子传感模块7、空间光调制器8、格兰泰勒棱镜9、凸透镜10、凸透镜11、光电探测器12、多通道锁相放大器13、信号采集处理电路14、计算机15、光抽运系统16、波长计17、磁屏蔽系统18、碱金属气室19，其中由光抽运系统16、磁屏蔽系统18、碱金属气室19共同组成了原子传感模块7。光抽运系统16将碱金属气室19内的原子极化，磁屏蔽系统18经过主动和被动磁补偿方式使原子处于无自旋交换弛豫状态，在外部的磁场和角速率的作用下，极化的原子进行拉莫尔进动因此在检测光方向极化率分布发生变化，检测激光器1发出失谐共振峰激光，经过1/2波片2、偏振分光棱镜3其反射光进入波长计36监控检测光束波长变化，透射光经过凸透镜4和凸透镜5完成扩束，扩束后光束通过格兰泰勒棱镜6后为偏振方向与空间光调制器8长轴方向一致的线偏振光，经过原子传感模块7与原子作用后，入射线偏振光光轴改变产生旋光角，空间光调制器8输出由计算机15生成的8位灰度图，携带旋光角信息的光束经过空间光调制器8时不同通道被不同频率调制，其后经过格兰泰勒棱镜9将旋光角变化信息转化为随时间变化的光强信息，光强信息由光电探测器12接收输入至带有前置放大器，并由计算机15提供多通道参考频率的多通道锁相放大器13解调，信号采集处理电路14处理后可同时得到不同空间位置的多通道信号测量结果。
[0026] 光抽运系统16和磁屏蔽系统18保证原子传感模块7处于无自旋交换弛豫状态，利用空间光调制器8将光束划分多个通道每个通道调制频率不同，将设置的调制频率设定为锁相放大器的参考频率即可实现原子自旋多通道的无延时检测。具体测量原理如下：SERF态碱金属在光抽运系统作16用下，原子自旋具有确定的宏观指向，碱金属原子被极化后具有双折射特性与
圆二色性特性，检测光线偏振光入射碱金属气室时，左旋和右旋圆偏振光具有不同的折射率存在一定的相位差，碱金属原子对左旋和右旋偏振光的吸收能力不同，通过气室后两个圆偏振分量
电场矢量不再相同。
[0027] 通过气室后检测光偏振面旋转角与原子自旋投影成正比，此偏转角为[0028]
[0029] l为检测光在气室中传播长度，n为与检测光作用的碱金属原子数
密度，re为
电子经典半径，c为光速，Px为碱金属电子极化率在x方向的投影， 为激光D1、D2线与原子相互作用共振强度。D(ν)为光旋角线型函数，与激光频率相关表达式为：
[0030]
[0031] 其中，ν0为共振频率，Γ为原子展宽，主要为原子的压力展宽。
[0032] 空间光调制技术利用的是液晶的双折射效应，实验中使用反射型电寻址列向液晶空间光调制器，液晶具有介电
各向异性，沿着光轴方向和垂直于光轴方向的折射率分别为ne和no。当液晶两端施加
电压超过
阈值电压，液晶分子发生偏转偏转角为β，β与驱动电压V之间的关系如下
[0033]
[0034] 其中Vrms为工作电压其电压大小值与输入灰度图控制，Vc液晶阈值电压，V0过载电压，液晶的偏转角β导致折射率ne变化关系为：
[0035]
[0036] 液晶空间光调制器可看作偏振器件，导致o光和e光之间的
相位延迟发生变化：
[0037] α＝πd(ne(β)-no)/λ (5)
[0038] 其中α为o光和e光的相位差，d液晶层厚度，λ入射光波长。
[0039] 实验中，通过生成不同8位灰度0～255的图片使α随之成线性变化，进行调制解调，空间光调制器随时间相位延迟量为：
[0040] δ(t)＝αm sin(wm t) (6)
[0041] αm为调制幅度，在0～255灰度对应为0～π，wm为调制频率，其与灰度图片更换频率有关。根据图一光路结构图，检测光从检测激光器1输出后，经过格兰泰勒棱镜6起偏，经过原子传感模块7中的碱金属气室，进入空间光调制器8后经过格兰泰勒棱镜9检偏后进入光电探测器12。起偏器和检偏器成90°垂直。假设经过起偏器初始光强为I0，根据
马吕斯定律及偏振光传播原理，在光电探测器接收到的光强信号为：
[0042] I＝I0sin2[θ+αmsin(ωmt)]≈I0[θ2+2θαmsin(ωmt)+αm2sin2(ωmt)][0043] (7)
[0044] 在小角度近似情况下，一倍频信号为：
[0045]
[0046] 其中一倍频信号与旋光角成正比，与原子自旋投影成正比，多通道锁相放大器13解调出输出光强中的一倍频(wm)信号。由于为调制频率，其与灰度图片更换频率有关，可以根据需求设定图片更新频率，根据图片不同位置可以加载不同的wm调制，如图2所示为四通道调制随时间显示示意图，通过计算机15加载1通道w1＝200hz，2通道w2＝400hz，3通道w3＝600hz，四通道w4＝800hz灰度图片，多通道锁相放大器13可同时锁定w1，w2，w3，w4解调出四通道信号，通道数目和空间位置可根据使用者对图案的设计以及需求灵活改变，最终将经过信号采集处理电路14进行
数据采集和处理，最终可无延时检测多通道原子自旋进动信号。
[0047] 本发明
说明书中未做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。
[0048] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于
本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的
权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
