CN106872911A - 一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法 - Google Patents

一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种原子磁力仪，具体是一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法，属于弱磁场检测技术领域。所述磁力仪包含由895nm DFB半导体激光器、一号凸透镜、二号凸透镜、一号线偏振片和λ/4玻片组成的抽运光路、由852nm DFB半导体激光器、三号凸透镜、四号凸透镜、二号线偏振片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器组成的探测光路、亥姆霍兹线圈、加热装置、原子气室、锁定放大器、信号处理系统。本发明利用高激励磁场下MR信号关于激励磁场频率响应的凹陷，实现了一种高灵敏度的原子磁力仪，能够应用于Mx‑MR原子磁力仪中，以提高其灵敏度。

Description

一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法
技术领域
本发明涉及一种原子磁力仪，具体是一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法，属于弱磁场检测技术领域。
背景技术
在生物医学、地质勘查、核磁共振信号检测以及基础物理研究等许多至关重要的领域，迫切需要对微弱磁场进行有效的检测。超导量子干涉器件是目前投入应用灵敏度最高的磁力仪，其已实现量级的灵敏度。然而，超导量子干涉器件由于需要庞大的制冷设备，使用不便，限制了其应用范围。原子磁力仪是基于自旋进动检测的磁力仪。对于传感原子(碱金属原子或4He)，原子的总自旋角动量会绕着外磁场进动，进动的频率(即磁共振频率)与外磁场的比值为一常数。通过检测磁共振频率即可实现对外磁场的检测。在光抽运的作用下，由于大量的传感原子处于相干状态，原子磁力仪的灵敏度极高。它的理论灵敏度高于超导量子干涉器件，且目前在实验室，原子磁力仪获取的最佳灵敏度已达量级。并且原子磁力仪不需要庞大的制冷设备，因此其比超导量子干涉器件应用情景更加广泛。
对于一般的原子磁力仪，其先沿x轴方向施加激励磁场，然后探测传感原子系综的磁化强度矢量沿某一方向的投影。根据探测的的投影的不同，原子磁力仪可以分为Mz原子磁力仪与Mx原子磁力仪。Mz原子磁力仪检测的是磁化强度矢量沿纵向(设定为z轴方向)的投影，即Mz信号，其基本原理是：当激励磁场的频率等于磁共振频率时，Mz信号取极值，因此，通过确定Mz信号达到极值时的激励磁场频率，即可推算出外磁场的大小。而Mx原子磁力仪检测的是磁化强度矢量沿x轴方向的投影，即Mx信号，其基本原理是：Mx信号受到激励磁场的调制，当激励磁场的频率等于磁共振频率时，Mx的同向解调信号过零点，因此，通过确定Mx的同向解调信号过零点时的激励磁场频率，即可推算出外磁场的大小。由于检测信号的不同特性，相比于Mz原子磁力仪，Mx原子磁力仪的检测速度相对较快，但灵敏度相对较低。
为结合Mz原子磁力仪与Mx原子磁力仪的优点，2011年，俄罗斯艾菲物理技术研究所的A.K.Vershovskii与A.S.Pazgalev在《Optically Pumped Quantum MagnetometerEmploying Two Components of Magnetic Moment Precession Signal》(TechnicalPhysics Letters，第39卷第1期)中提出了一种方案，即Mx-MR原子磁力仪。其基本原理是：在Mx原子磁力仪的基础上，同时检测Mx信号的幅值MR，MR信号同Mz信号类似，当激励磁场的频率等于磁共振频率时，MR信号取极值，因此，通过确定MR信号达到极值时的激励磁场频率，可推算出外磁场的大小。Mx-MR原子磁力仪在Mx原子磁力仪的基础上，通过同时利用MR信号，弥补了Mx原子磁力仪的灵敏度相对较低的缺点。
一般情况下，原子磁力仪的激励磁场较小。然而，在高激励磁场下，MR信号关于激励磁场的频率响应会出现一个凹陷，凹陷中心对应的频率等于磁共振频率，因此同样可以用于检测外磁场。相比于未出现凹陷时MR信号关于激励磁场的频率响应的线宽，由于凹陷的线宽相对较窄，可以利用凹陷实现一种高灵敏的原子磁力仪，以提高Mx-MR原子磁力仪的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是在高激励磁场下，利用MR信号关于激励磁场的频率响应的凹陷，实现一种高灵敏度的原子磁力仪，以应用于Mx-MR原子磁力仪中。
本发明基于以下原理：选取三维直角坐标系，坐标系的三个轴分别为x轴、y轴与z轴。在沿z轴方向抽运光的作用下，原子磁力仪的传感原子系综将被极化，大量的传感原子处于相干状态，宏观上可用磁化强度矢量来表征这一状态。为简化说明，不妨假定传感原子系综处存在沿z轴方向的磁场B，磁化强度矢量会绕着磁场B进动。当沿x轴方向施加激励磁场B1cos(ω1t)时，B1为激励磁场的幅值，ω1为激励磁场的频率，磁化强度矢量随时间t的演化满足如下Bloch方程:
其中，γ为传感原子的旋磁比；T2与T1分别为原子自旋的横向驰豫时间与纵向驰豫时间；My为磁化强度矢量沿y轴方向的分量；M0为不施加激励磁场时，在抽运光的作用下，热平衡时z轴方向的磁化强度。由上方程可得，稳态时，Mx信号的幅值MR满足：
由上式可得，当时，MR信号关于ω1的响应会出现一个凹陷，凹陷中心对应的频率等于磁共振频率γB，因此同样可以用于检测磁场B。凹陷的线宽(半高宽)为相比于未出现凹陷时MR信号关于ω1的响应线宽由于前者相对较窄(时)，可以利用出现凹陷时的MR信号实现一种原子磁力仪，使Mx-MR原子磁力仪实现更高的灵敏度。
本发明采用的技术方案为：一种高激励磁场下的原子磁力仪，包含由895nm DFB半导体激光器、一号凸透镜、二号凸透镜、一号线偏振片和λ/4玻片组成的抽运光路、由852nmDFB半导体激光器、三号凸透镜、四号凸透镜、二号线偏振片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器组成的探测光路、亥姆霍兹线圈、加热装置、原子气室、锁定放大器、信号处理系统。所述原子气室中充有133Cs原子与缓冲气体；所述抽运光路沿z轴方向传播，用于极化原子气室中的133Cs原子，以大幅提高x轴方向磁化强度Mx，从而提高原子磁力仪的灵敏度；所述探测光路沿x轴方向传播，用于探测x轴方向磁化强度Mx；所述亥姆霍兹线圈由铜线绕制，用于产生x轴方向激励磁场；所述加热装置包含铜夹具、无磁电阻加热片以及无磁温度传感器，其中铜夹具用于固定原子气室，无磁电阻加热片用于对原子气室进行加热，以适当提高原子气室内133Cs原子蒸汽密度，从而提高原子磁力仪的灵敏度，无磁温度传感器用于测量原子气室的温度；所述锁定放大器用于同向与正交解调探测光路探测的Mx信号，并输出MR信号，其解调的参考频率由信号处理系统调节；所述信号处理系统包含数据采集卡与计算机，负责信号的采集、产生与处理，同时用于驱动与控制亥姆霍兹线圈提供激励磁场。信号处理系统还用于驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定。
895nm DFB半导体激光器输出的抽运光经过一号凸透镜与二号凸透镜后被扩束准直，再由一号线偏振片和λ/4玻片将其转变为圆偏振光。随后，圆偏振光照射原子气室，实现对原子气室中133Cs原子的极化。852nm DFB半导体激光器输出的探测光经过三号凸透镜与四号凸透镜后被扩束准直，再经过二号线偏振片后照射原子气室，探测光与原子气室中133Cs原子相互作用后，探测光的偏振面会受到x轴方向磁化强度Mx的调制。穿过原子气室的探测光依次经过λ/2玻片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器，平衡探测器的输出信号反映探测光偏振面的变化。平衡探测器的输出信号被锁定放大器同向与正交解调后，由信号处理系统采集锁定放大器输出的MR信号。信号处理系统驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定。同时，信号处理系统驱动与控制亥姆霍兹线圈，提供激励磁场，并使激励磁场的频率跟踪磁共振频率，根据此频率得到原子气室处的磁场B。
本发明还提供一种上述装置的使用方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，信号处理系统产生远离磁共振频率的高频振荡电流，输入到加热装置中的无磁电阻加热片，对原子气室进行加热，并采集加热装置中的无磁温度传感器测量得到原子气室的温度值，通过反馈控制，调节高频振荡电流的幅值，以稳定原子气室的温度。
步骤二，打开895nm DFB半导体激光器，将其调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出抽运光，抽运光沿着z轴方向的抽运光路传播，开始极化原子气室中的133Cs原子；同时，打开852nm DFB半导体激光器，将其调节到133Cs原子D2线跃迁共振频率，输出探测光，探测光沿着x轴方向的探测光路传播，开始探测x轴方向磁化强度Mx。锁定放大器同向与正交解调探测光路中平衡探测器输出的信号。信号处理系统采集锁定放大器解调后输出的MR信号。
步骤三，信号处理系统驱动亥姆霍兹线圈产生x轴方向的激励磁场，锁定放大器的参考频率取激励磁场的频率ω1，同时，信号处理系统通过调节激励磁场的频率ω1，观测采集得到的MR信号关于ω1的响应曲线是否有凹陷。若没有，适当增加激励磁场的幅值B1，使MR信号关于ω1的响应曲线出现凹陷，并记录凹陷中心对应的频率ω01和此时激励磁场的幅值B11。
步骤四，信号处理系统驱动亥姆霍兹线圈产生x轴方向的激励磁场，激励磁场的幅值取步骤三得到的值B11，激励磁场的频率和锁定放大器的参考频率取步骤三得到的值ω01，同时，信号处理系统调节激励磁场的幅值，使采集得到的MR信号的信噪比最大，记录此时激励磁场的幅值B12。
步骤五，信号处理系统驱动亥姆霍兹线圈产生x轴方向的激励磁场，激励磁场的幅值取步骤四得到的值B12。锁定放大器的参考频率取激励磁场的频率ω1。同时，信号处理系统通过调节激励磁场的频率ω1，跟踪采集得到的MR信号的中心频率ω0，即磁共振频率γB。根据得到的中心频率，提取得到原子气室处的磁场B＝ω0/γ。
本发明具有以下技术效果：本发明利用高激励磁场下MR信号关于激励磁场频率响应的凹陷，实现了一种高灵敏度的原子磁力仪。对于一般的原子磁力仪，激励磁场较小，MR信号关于激励磁场的频率响应不会出现凹陷。相比于未出现凹陷时MR信号关于激励磁场频率响应的线宽，由于凹陷的线宽相对较窄，可以使原子磁力仪实现更高的灵敏度。本发明能够应用于Mx-MR原子磁力仪中，以提高其灵敏度。
附图说明
图1是一种高激励磁场下的原子磁力仪的结构示意图。
101：895nm DFB半导体激光器、102：一号凸透镜、103：二号凸透镜、104：一号线偏振片、105：λ/4玻片、201：852nm DFB半导体激光器、202：三号凸透镜、203：四号凸透镜、204：λ/2玻片、205：二号线偏振片、206：沃拉斯特棱镜、207：平衡探测器、3：亥姆霍兹线圈、4：加热装置、5：原子气室、6：锁定放大器、7：信号处理系统。
图2是仿真得到的一组低激励磁场下的MR信号关于激励磁场频率ω1的响应。
图3是仿真得到的一组高激励磁场下的MR信号关于激励磁场频率ω1的响应。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参见图1，本发明所述的一种高激励磁场下的原子磁力仪，包含由895nm DFB半导体激光器101、一号凸透镜102、二号凸透镜103、一号线偏振片104和λ/4玻片105组成的抽运光路、由852nm DFB半导体激光器201、三号凸透镜202、四号凸透镜203、二号线偏振片204、λ/4玻片205、沃拉斯特棱镜206和平衡探测器207组成的探测光路、亥姆霍兹线圈3、加热装置4、原子气室5、锁定放大器6、信号处理系统7。
所述原子气室5中充有133Cs原子与缓冲气体。
所述抽运光路沿z轴方向传播，用于极化原子气室5中的133Cs原子，以大幅提高x轴方向磁化强度Mx，从而提高原子磁力仪的灵敏度。895nm DFB半导体激光器101被调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出抽运光。一号凸透镜102与二号凸透镜103被组合为扩束准直装置。一号线偏振片104和λ/4玻片105将抽运光转变为圆偏振光，实现对原子气室5中的133Cs原子的极化。
所述探测光路沿x轴方向传播，用于探测x轴方向磁化强度Mx。852nm DFB半导体激光器201被调节到133Cs原子D2线跃迁共振频率，输出探测光。三号凸透镜202与四号凸透镜203被组合为扩束准直装置。二号线偏振片204用于提高探测光的线偏振度。探测光与原子气室5中133Cs原子相互作用后，其偏振面会受到x轴方向磁化强度Mx的调制(即探测光偏振面的变化反映Mx的变化)。λ/2玻片205、沃拉斯特棱镜206和平衡探测器207组合为偏振面检测装置，用于检测探测光偏振面的变化。λ/2玻片205用于调节偏振面的方向，沃拉斯特棱镜206将线偏振光分为分别沿y轴与z轴偏振的两束光，两束光分别输入到平衡探测器207的两个探头，平衡探测器207对两束光光强进行差分放大，其输出反映探测光偏振面的变化。
所述亥姆霍兹线圈3由铜线绕制，用于产生调制磁场。信号处理系统7通过调节输入到亥姆霍兹线圈3中的电流，控制其产生的调制磁场。
所述加热装置4包含铜夹具、无磁电阻加热片以及无磁温度传感器，其中铜夹具用于固定原子气室5，无磁电阻加热片用于对原子气室5进行加热，以适当提高原子气室5内133Cs原子蒸汽密度，从而提高原子磁力仪的灵敏度，无磁温度传感器用于测量原子气室5的温度。信号处理系统7产生远离磁共振频率的高频振荡电流，通入无磁电阻加热片，对原子气室5进行加热。同时，信号处理系统7采集无磁温度传感器测量得到的原子气室5的温度值，通过反馈控制，调节高频振荡电流的幅值，以稳定原子气室5的温度。
所述锁定放大器6用于同向与正交解调平衡探测器207的输出信号。锁定放大器6的参考频率由信号处理系统7调节。同时，信号处理系统7采集锁定放大器6输出的MR信号。
所述信号处理系统7包含数据采集卡与计算机，负责信号的采集、产生与处理，用于驱动与控制亥姆霍兹线圈3提供激励磁场，信号处理系统7同时驱动与控制加热装置4，使其加热原子气室5，并保持原子气室5温度的稳定。
895nm DFB半导体激光器101输出的抽运光经过一号凸透镜102与二号凸透镜103后被扩束准直，再由一号线偏振片104和λ/4玻片105将其转变为圆偏振光。随后，圆偏振光照射原子气室5，实现对原子气室5中133Cs原子的极化。852nm DFB半导体激光器201输出的探测光经过三号凸透镜202与四号凸透镜203后被扩束准直，再经过二号线偏振片204后照射原子气室5，探测光与原子气室5中133Cs原子相互作用后，探测光的偏振面会受到x轴方向磁化强度Mx的调制。穿过原子气室5的探测光依次经过λ/2玻片205、沃拉斯特棱镜206和平衡探测器207，平衡探测器207的输出信号反映探测光偏振面的变化。平衡探测器207的输出信号被锁定放大器6同向与正交解调后，由信号处理系统7采集锁定放大器6输出的MR信号。信号处理系统7驱动与控制加热装置4，使其加热原子气室5，并保持原子气室5温度的稳定。同时，信号处理系统7驱动与控制亥姆霍兹线圈3，提供激励磁场，并使激励磁场的频率跟踪磁共振频率，根据此频率得到原子气室5处的磁场B。
本发明对三轴磁场的测量是通过以下步骤实现的：
步骤一，信号处理系统7产生远离磁共振频率的高频振荡电流，输入到加热装置4中的无磁电阻加热片，对原子气室5进行加热，并采集加热装置4中的无磁温度传感器测量得到原子气室5的温度值，通过反馈控制，调节高频振荡电流的幅值，以稳定原子气室5的温度。
步骤二，打开895nm DFB半导体激光器101，将其调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出抽运光，抽运光沿着z轴方向的抽运光路传播，开始极化原子气室5中的133Cs原子；同时，打开852nm DFB半导体激光器201，将其调节到133Cs原子D2线跃迁共振频率，输出探测光，探测光沿着x轴方向的探测光路传播，开始探测x轴方向磁化强度Mx。锁定放大器6同向与正交解调探测光路中平衡探测器207输出的信号。信号处理系统7采集锁定放大器6解调后输出的MR信号。
步骤三，信号处理系统7驱动亥姆霍兹线圈3产生x轴方向的激励磁场，锁定放大器6的参考频率取激励磁场的频率ω1。同时，信号处理系统7通过调节激励磁场的频率ω1，观测采集得到的MR信号关于ω1的响应曲线是否有凹陷。若没有，适当增加激励磁场的幅值B1，使MR信号关于ω1的响应曲线出现凹陷，并记录凹陷中心对应的频率ω01和此时激励磁场的幅值B11。
步骤四，信号处理系统7驱动亥姆霍兹线圈3产生x轴方向的激励磁场，激励磁场的幅值取步骤三得到的值B11，激励磁场的频率和锁定放大器6的参考频率取步骤三得到的值ω01。同时，信号处理系统7调节激励磁场的幅值，使采集得到的MR信号的信噪比最大，记录此时激励磁场的幅值B12。
步骤五，信号处理系统7驱动亥姆霍兹线圈3产生x轴方向的激励磁场，激励磁场的幅值取步骤四得到的值B12。锁定放大器6的参考频率取激励磁场的频率ω1。同时，信号处理系统7通过调节激励磁场的频率ω1，跟踪采集得到的MR信号的中心频率ω0，即磁共振频率γB。根据得到的中心频率，提取得到原子气室5处的磁场B＝ω0/γ。
图2是仿真得到的一组低激励磁场下的MR信号关于激励磁场频率ω1的响应。从图中可以看出，MR信号关于ω1的响应曲线无凹陷，但中心对称，中心对称频率等于磁共振频率。
图3是仿真得到的一组高激励磁场下的MR信号关于激励磁场ω1的响应。从图中可以看出，MR信号关于ω1的响应曲线存在凹陷，且关于凹陷的中心对称，中心对称频率同样等于磁共振频率。
比较图2与图3的仿真结果可得，图3中凹陷的线宽(半高宽)比图2中曲线的线宽窄，可以利用凹陷实现一种高灵敏的原子磁力仪，以提高Mx-MR原子磁力仪的灵敏度。

Claims (2)

1.一种高激励磁场下的原子磁力仪，其特征在于：所述磁力仪包含由895nm DFB半导体激光器、一号凸透镜、二号凸透镜、一号线偏振片和λ/4玻片组成的抽运光路、由852nm DFB半导体激光器、三号凸透镜、四号凸透镜、二号线偏振片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器组成的探测光路、亥姆霍兹线圈、加热装置、原子气室、锁定放大器、信号处理系统；所述原子气室中充有133Cs原子与缓冲气体；所述抽运光路沿z轴方向传播，用于极化原子气室中的133Cs原子，以大幅提高x轴方向磁化强度Mx，从而提高原子磁力仪的灵敏度；所述探测光路沿x轴方向传播，用于探测x轴方向磁化强度Mx；所述亥姆霍兹线圈由铜线绕制，用于产生x轴方向激励磁场；所述加热装置包含铜夹具、无磁电阻加热片以及无磁温度传感器，其中铜夹具用于固定原子气室，无磁电阻加热片用于对原子气室进行加热，以适当提高原子气室内133Cs原子蒸汽密度，从而提高原子磁力仪的灵敏度，无磁温度传感器用于测量原子气室的温度；所述锁定放大器用于同向与正交解调探测光路探测的Mx信号，并输出MR信号，其解调的参考频率由信号处理系统调节；所述信号处理系统包含数据采集卡与计算机，负责信号的采集、产生与处理，同时用于驱动与控制亥姆霍兹线圈提供激励磁场，信号处理系统还用于驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定；
895nm DFB半导体激光器输出的抽运光经过一号凸透镜与二号凸透镜后被扩束准直，再由一号线偏振片和λ/4玻片将其转变为圆偏振光；随后，圆偏振光照射原子气室，实现对原子气室中133Cs原子的极化；852nm DFB半导体激光器输出的探测光经过三号凸透镜与四号凸透镜后被扩束准直，再经过二号线偏振片后照射原子气室，探测光与原子气室中133Cs原子相互作用后，探测光的偏振面会受到x轴方向磁化强度Mx的调制；穿过原子气室的探测光依次经过λ/2玻片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器，平衡探测器的输出信号反映探测光偏振面的变化；平衡探测器的输出信号被锁定放大器同向与正交解调后，由信号处理系统采集锁定放大器输出的MR信号，信号处理系统驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定；同时，信号处理系统驱动与控制亥姆霍兹线圈，提供激励磁场，并使激励磁场的频率跟踪磁共振频率，根据此频率得到原子气室处的磁场B。
2.一种如权利要求1所述装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，信号处理系统产生远离磁共振频率的高频振荡电流，输入到加热装置中的无磁电阻加热片，对原子气室进行加热，并采集加热装置中的无磁温度传感器测量得到原子气室的温度值，通过反馈控制，调节高频振荡电流的幅值，以稳定原子气室的温度；
步骤二，打开895nm DFB半导体激光器，将其调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出抽运光，抽运光沿着z轴方向的抽运光路传播，开始极化原子气室中的133Cs原子；同时，打开852nm DFB半导体激光器，将其调节到133Cs原子D2线跃迁共振频率，输出探测光，探测光沿着x轴方向的探测光路传播，开始探测x轴方向磁化强度Mx；锁定放大器同向与正交解调探测光路中平衡探测器输出的信号，信号处理系统采集锁定放大器解调后输出的MR信号；
步骤三，信号处理系统驱动亥姆霍兹线圈产生x轴方向的激励磁场，锁定放大器的参考频率取激励磁场的频率ω1，同时，信号处理系统通过调节激励磁场的频率ω1，观测采集得到的MR信号关于ω1的响应曲线是否有凹陷；若没有，适当增加激励磁场的幅值B1，使MR信号关于ω1的响应曲线出现凹陷，并记录凹陷中心对应的频率ω01和此时激励磁场的幅值B11；
步骤四，信号处理系统驱动亥姆霍兹线圈产生x轴方向的激励磁场，激励磁场的幅值取步骤三得到的值B11，激励磁场的频率和锁定放大器的参考频率取步骤三得到的值ω01，同时，信号处理系统调节激励磁场的幅值，使采集得到的MR信号的信噪比最大，记录此时激励磁场的幅值B12；
步骤五，信号处理系统驱动亥姆霍兹线圈产生x轴方向的激励磁场，激励磁场的幅值取步骤四得到的值B12；锁定放大器的参考频率取激励磁场的频率ω1；同时，信号处理系统通过调节激励磁场的频率ω1，跟踪采集得到的MR信号的中心频率ω0，即磁共振频率γB；根据得到的中心频率，提取得到原子气室处的磁场B＝ω0/γ。
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