CN105182257A - 一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法，激光光源由输入光纤传播到物理探头，然后依次经过第一透镜、四分之一波片和第一直角棱镜入射原子样品池，实现相干粒子数俘获效应后，由第二直角棱镜反射再经过第二透镜聚焦耦合进入输出光纤，在物理探头内部加入一组亥姆霍兹线圈，通过扫描线圈内电流、转动线圈并判断相干粒子数俘获效应产生的中间峰幅度，可计算出待测磁场的X、Y、Z轴分量，实现磁场矢量测量。本发明只需在原子样品池周围安装一组亥姆霍兹线圈，能有效减小测磁装置传感部分的体积，并且由于不存在三轴垂直度误差，提高了矢量磁力仪的测量精度。

Description

一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种磁场测量装置和方法，具体而言，涉及一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法，属于磁场测量技术领域。

背景技术

磁场测量可用于导航定位、目标探测、地球物理研究、油气和矿产勘查、医学诊断、地质调查及考古研究等领域。目前对微弱磁场矢量的测量大都采用三轴磁通门磁力仪、超导磁力仪和外加三轴磁场的质子磁力仪。三轴磁通门磁力仪存在铁芯聚磁、三轴互相耦合、电路零点漂移等误差，其测量精度和分辨率都不高。超导磁力仪成熟度低、所需的低温制冷系统使得其维护成本高，体积庞大、无法大范围普及应用。

因此，迫切需要一种新的技术手段来解决以上问题，基于相干粒子数俘获(CoherentPopulationTrapping，CPT)效应的原子磁力仪通过检测激光与原子作用后的透射光谱来实现对磁场的测量，具有精度高、体积小、功耗低的优点。将高精度原子磁力仪用于地磁矢量测量，能够为科学研究和工程应用提供一种高精度、高稳定性的磁场矢量测量手段。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法，降低了磁力仪的体积和功耗，提高了测量精度，并可根据应用需求在标量和矢量两种模式间切换。

本发明的技术方案是：一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置，其特征在于：包括物理探头和主机系统；所述物理探头提供磁场感应部分，包括输入光纤、第一透镜、四分之一波片、第一直角棱镜、原子样品池、亥姆霍兹线圈、第二直角棱镜、第二透镜和输出光纤；所述主机系统包括激光光源和控制系统；

激光光源发出的线偏振光由输入光纤传播到物理探头，在物理探头内部依次经过第一透镜、四分之一波片和第一直角棱镜转为圆偏振的平行光后，沿Z轴方向入射原子样品池；在原子样品池内激光与原子相互作用，实现相干粒子数俘获效应，出射光束由第二直角棱镜反射再经过第二透镜聚焦耦合进入输出光纤，由输出光纤再传回控制系统，控制系统采集并处理带有待测磁场信息的信号，完成磁场矢量测量功能；所述输入光纤、第一透镜、四分之一波片、第一直角棱镜、原子样品池、第二直角棱镜、第二透镜和输出光纤的中心轴线在X-Z平面内；

所述物理探头内部加入一组亥姆霍兹线圈，通过给亥姆霍兹线圈通电流产生与激光传播方向成45度夹角的偏置磁场，定义正电流产生的偏置磁场方向与X轴和Z轴正方向成45度夹角，初始产生的偏置磁场在X-Z平面内；所述亥姆霍兹线圈通过转动机构绕Z轴旋转，产生Y-Z平面内的偏置磁场；所述X-Y-Z轴的定义如下：第二直角棱镜和第二透镜的中心轴线定义为X轴，激光在原子样品池中的传播反方向定义为Z轴，Y轴垂直于X-Z平面，指向纸面外。

利用一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置进行测量的方法，其特征在于步骤如下：

(1)设置所述亥姆霍兹线圈内的电流值为零，测量此时的待测磁场大小为B；

(2)扫描亥姆霍兹线圈内电流值，范围-I_max～I_max，判断相干粒子数俘获效应产生的中间峰幅度；当中间峰幅度为零时，产生偏置磁场的Z轴分量与待测磁场的Z轴分量相抵消，记录此时所述亥姆霍兹线圈内电流值为I_set，对应的偏置磁场为其中B₀为偏置磁场的标量大小，计算获得待测磁场的Z轴分量为

(3)保持亥姆霍兹线圈内电流值为I_set不变，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B₁，计算得出待测磁场的X轴分量

(4)保持亥姆霍兹线圈内电流值为I_set不变，将亥姆霍兹线圈绕Z轴沿顺时针旋转90度，则偏置磁场位于Y-Z平面内，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B₂，计算获得待测磁场的Y轴分量

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明只需在原子样品池周围安装一组亥姆霍兹线圈，从而有效减小测磁装置传感部分的体积。

(2)本发明不存在三轴垂直度误差，提高矢量磁力仪的测量精度。

(3)本发明采用激光作为干涉光源，激光的窄线宽特性和消多普勒效应，确保此装置具有pT量级的精度。

(4)本发明的矢量测磁方法简单，能够实现较快速度测量。

附图说明

图1是本发明的物理探头结构图；

图2是本发明实施例的磁场矢量测量流程图；

图3是偏置磁场在X-Z平面内的分解图；

图4是待测磁场与偏置磁场合成的总磁场B₁在X-Y平面内的分解图；

图5是偏置磁场在Y-Z平面内的分解图；

图6是待测磁场与偏置磁场合成的总磁场B₂在X-Y平面内的分解图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

采用本发明实施例的基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置，其物理探头结构图如图1所示。输入光纤101将激光光源发出的线偏振光导入物理探头内部，在本实施例中，采用垂直腔表面发射半导体激光器，具有体积小、方向性好、响应速度快、功率损耗低、动态调制频率高等特点，满足本发明测磁装置对光源部分的要求，并且此激光器内部集成有半导体制冷器和负温度系数热敏电阻，便于控制温度。

在物理探头内部，光路依次经过第一透镜102、四分之一波片103、第一直角棱镜104、原子样品池105、第二直角棱镜107和第二透镜108，最后由输出光纤109再传回主机系统进行数据处理。第一透镜102、四分之一波片103和第一直角棱镜104的中心轴线在一条直线上，可以将激光器发出的线偏振光转变为圆偏振光。第一直角棱镜104和原子样品池105的中心轴线在一条直线上，与第二直角棱镜107和第二透镜108构成的直线相垂直。原子样品池105内封装铷原子和缓冲气体，提供测量磁场的干涉介质。

在物理探头内部，安装一组亥姆霍兹线圈106，其作用是通过给亥姆霍兹线圈106通电流可产生与激光传播方向成45度夹角的偏置磁场。如图1所示，定义正电流产生的偏置磁场方向与X轴和Z轴正方向成45度夹角，初始产生的偏置磁场在X-Z平面内。所设置的这组亥姆霍兹线圈106可通过转动机构绕Z轴旋转，产生Y-Z平面内的偏置磁场，用于磁场矢量的计算。

采用本发明实施例的基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置，其主机系统提供激光光源和系统控制部分，由激光器、激光器温度控制电路、激光器电流控制电路、原子样品池温度控制电路、调制微波源、偏置磁场控制电路、光电探测器及检测电路构成。激光器提供系统光源，激光器温度控制电路和激光器电流控制电路与激光器相连，用于调节激光器的温度和电流，确保激光中心波长不变；原子样品池温度控制电路用于保持原子样品池105的温度稳定，使铷原子的密度适合，优化干涉效果；调制微波源与激光器相连用于控制激光器的边带频率扫描；偏置磁场控制电路与亥姆霍兹线圈106相连用于控制偏置磁场的大小和方向；光电探测器及检测电路用于相干粒子数俘获效应的检测与数据解算。

在具体实施例中，系统上电，预热原子样品池105，待原子样品池105的温度达到预设温度值后，调节激光器的温度和电流，在激光器稳频基础上，调制微波源扫频，实现相干粒子数捕获效应，利用侧峰与中间峰的频率差最终完成磁场强度的测量。根据理论推导，磁场方向与测磁装置的物理探头放置方向有以下三种关系：

(1)当磁场方向与测磁装置的物理探头放置方向平行时，扫频中间峰存在，在中间峰左右两侧各有一个侧峰存在；

(2)当磁场方向与测磁装置的物理探头放置方向垂直时，扫频中间峰不存在，左右两侧各有两个侧峰存在；

(3)其他情况时，扫频中间峰存在，在中间峰左右两侧各有三个侧峰存在。

利用上述磁场方向与测磁装置的物理探头放置方向垂直时的情况，通过给亥姆霍兹线圈106通电流产生的偏置磁场与待测磁场在某一方向相抵消的结果，可以完成磁场矢量的测量，具体流程如图2所示。

步骤201：开始，进入磁场测量阶段；

步骤202：设置亥姆霍兹线圈106中的电流为零，使偏置磁场为零，即只考虑待侧磁场的情况；

步骤203：测量待测磁场大小为B并将结果输出；

步骤204：判断测磁装置是否工作在矢量测量模式，如果是，进入步骤205，否则转到步骤202；

步骤205：扫描亥姆霍兹线圈106中电流值，电流范围-I_max～I_max；

步骤206：判断相干粒子数俘获效应产生的中间峰幅度是否为零，如果为零，说明产生偏置磁场的Z轴分量与待测磁场的Z轴分量相抵消，偏置磁场和待测磁场合成的总磁场与物理探头放置方向相垂直，就进入步骤207，否则转到步骤205，继续扫描亥姆霍兹线圈106中的电流；

步骤207：记录此时亥姆霍兹线圈106中对应的电流值I_set和对应的偏置磁场

步骤208：计算得到待测磁场在Z轴分量为如图3所示；

步骤209：保持亥姆霍兹线圈106中电流为I_set不变，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B₁，如图4所示，设待测磁场的X轴分量与偏置磁场X轴分量同向，求解方程组

$\left\{\begin{array}{c}{(B_X+\frac{B_0}{\sqrt{2}})}^2+B_Y^2=B_1^2\\ B_X^2+B_Y^2+B_Z^2=B^2\end{array}\right.$

计算得到待测磁场的X轴分量

步骤210：保持亥姆霍兹线圈106中电流为I_set不变，将亥姆霍兹线圈106绕Z轴沿顺时针旋转90度(迎着Z轴看去)，则偏置磁场位于Y-Z平面内，如图5所示；

步骤211：测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B₂，如图6所示，设待测磁场的Y轴分量与偏置磁场Y轴分量同向，求解方程组

$\left\{\begin{array}{c}{(B_Y+\frac{B_0}{\sqrt{2}})}^2+B_X^2=B_2^2\\ B_X^2+B_Y^2+B_Z^2=B^2\end{array}\right.$

计算得到待测磁场的Y轴分量

步骤212：结束磁场矢量测量过程。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置，其特征在于：包括物理探头和主机系统；所述物理探头提供磁场感应部分，包括输入光纤(101)、第一透镜(102)、四分之一波片(103)、第一直角棱镜(104)、原子样品池(105)、亥姆霍兹线圈(106)、第二直角棱镜(107)、第二透镜(108)和输出光纤(109)；所述主机系统包括激光光源和控制系统；

激光光源发出的线偏振光由输入光纤(101)传播到物理探头，在物理探头内部依次经过第一透镜(102)、四分之一波片(103)和第一直角棱镜(104)转为圆偏振的平行光后，沿Z轴方向入射原子样品池(105)；在原子样品池(105)内激光与原子相互作用，实现相干粒子数俘获效应，出射光束由第二直角棱镜(107)反射再经过第二透镜(108)聚焦耦合进入输出光纤(109)，由输出光纤(109)再传回控制系统，控制系统采集并处理带有待测磁场信息的信号，完成磁场矢量测量功能；所述输入光纤(101)、第一透镜(102)、四分之一波片(103)、第一直角棱镜(104)、原子样品池(105)、第二直角棱镜(107)、第二透镜(108)和输出光纤(109)的中心轴线在X-Z平面内；

所述物理探头内部加入一组亥姆霍兹线圈(106)，通过给亥姆霍兹线圈(106)通电流产生与激光传播方向成45度夹角的偏置磁场，定义正电流产生的偏置磁场方向与X轴和Z轴正方向成45度夹角，初始产生的偏置磁场在X-Z平面内；所述亥姆霍兹线圈(106)通过转动机构绕Z轴旋转，产生Y-Z平面内的偏置磁场；所述X-Y-Z轴的定义如下：第二直角棱镜(107)和第二透镜(108)的中心轴线定义为X轴，激光在原子样品池(105)中的传播反方向定义为Z轴，Y轴垂直于X-Z平面，指向纸面外。

2.利用权利要求1所述的一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置进行测量的方法，其特征在于步骤如下：

(1)设置所述亥姆霍兹线圈(106)内的电流值为零，测量此时的待测磁场大小为B；

(2)扫描亥姆霍兹线圈(106)内电流值，范围-I_max～I_max，判断相干粒子数俘获效应产生的中间峰幅度；当中间峰幅度为零时，产生偏置磁场的Z轴分量与待测磁场的Z轴分量相抵消，记录此时所述亥姆霍兹线圈(106)内电流值为I_set，对应的偏置磁场为其中B₀为偏置磁场的标量大小，计算获得待测磁场的Z轴分量为

(3)保持亥姆霍兹线圈(106)内电流值为I_set不变，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B₁，计算得出待测磁场的X轴分量

(4)保持亥姆霍兹线圈(106)内电流值为I_set不变，将亥姆霍兹线圈(106)绕Z轴沿顺时针旋转90度，则偏置磁场位于Y-Z平面内，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B₂，计算获得待测磁场的Y轴分量