CN107656219A - 一种铷原子磁力仪 - Google Patents

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崔敬忠
杨世宇
缪培贤
廉吉庆
王剑祥
陈大勇
杨炜
涂建辉
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect

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Abstract

本发明涉及一种铷原子磁力仪，属于原子磁力仪技术领域。本发明所述磁力仪是基于磁光共振技术进行设计的，利用抽运激光器产生的抽运激光将铷原子进行高度极化，再通过探测激光器产生的探测激光与极化后的铷原子相互作用，使铷原子进行拉莫尔进动，根据测得的信号的后续分析处理，获得进动频率；再结合磁光共振频率与外磁场之间的关系，实现空间弱磁环境的绝对测量。本发明所述磁力仪具有灵敏度高、能耗低、成本低、体积小等优点，在空间与地球物理、深空磁场探测、军事反潜、生物医学等方面都有着广泛的应用前景，具有重要的研究价值。

Description

一种铷原子磁力仪
技术领域
本发明涉及一种铷原子磁力仪，属于原子磁力仪技术领域。
背景技术
弱磁探测是一个非常重要且具有很大发展前景的研究方向。目前，主要是采用超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device)进行弱磁探测，其对于微弱磁场的测量具有高的灵敏度，但是该磁力仪装置复杂、对工作环境要求高、使用维护成本高，普适性差，不利于弱磁探测的研究发展。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种铷原子磁力仪，所述磁力仪依据磁场中原子与光场相互作用的原理，结合磁光共振频率与外磁场之间的关系，实现空间弱磁环境的绝对测量；所述磁力仪具有灵敏度高、能耗低、成本低、体积小等优点，在空间与地球物理、深空磁场探测、军事反潜、生物医学等方面都有着广泛的应用前景，具有重要的研究价值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种铷原子磁力仪，所述磁力仪包括抽运激光器、λ/4波片、探测激光器、偏振片、原子气室、偏振分束器、光探测器放大器以及信号处理单元；
原子气室置于待测磁场中，λ/4波片置于抽运激光器与原子气室之间的光路上，偏振片置于探测激光器与原子气室之间的光路上，且所述两条光路相互垂直；原子气室先后依次与偏振分束器、光探测器、放大器、信号处理单元电气连接，用于对原子气室中铷原子与抽运激光以及探测激光相互作用所产生的含磁信息的调制光学信号进行处理、分析，得到待测磁场的磁场强度。
进一步的，抽运激光器产生的抽运激光与探测激光器产生的探测激光的失谐度为2kHz～20kHz，优选5kHz～10kHz。
抽运激光器输出的光功率为30mW～50mW。
原子气室内还充有氮气和氩气，且氮气与氩气的体积比为2～6:1。
所述铷原子磁力仪工作时，原子气室内为恒温环境，温度为80℃～120℃。
有益效果：
本发明所述磁力仪通过对磁场中铷原子与光场相互作用产生的磁光旋转效应进行检测，再利用磁光共振频率与外磁场之间的关系，通过高灵敏度低噪声弱磁检测技术实现磁场的准确测量。
本发明所述磁力仪具有灵敏度高、能耗低、成本低、体积小等优点，在空间与地球物理、深空磁场探测、军事反潜、生物医学等方面都有着广泛的应用前景，具有重要的研究价值。
附图说明
图1为本发明所述铷原子磁力仪的结构示意图。
图2为实施例中所述铷原子的磁光共振检测信号图。
图3为采用实施例中铷原子磁力仪测得的磁场信号图。
其中，1-抽运激光器，2-λ/4波片，3-探测激光器，4-偏振片，5-原子气室，6-偏振分束器，7-光探测器，7-1-光探测器Ⅰ，7-2-光探测器Ⅱ，8-放大器，9-信号处理单元。
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阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
一种铷原子磁力仪，所述磁力仪包括抽运激光器1、λ/4波片2、探测激光器3、偏振片4、原子气室5、偏振分束器6、光探测器Ⅰ7-1、光探测器Ⅱ7-2、放大器以8及信号处理单元9，如图1所示；
各部件之间的组装关系如下：原子气室5置于待测磁场中，λ/4波片2置于抽运激光器1与原子气室5之间的光路上，偏振片4置于探测激光器3与原子气室5之间的光路上，且所述两条光路相互垂直；原子气室5先后依次与偏振分束器6、光探测器7、放大器8、信号处理单元9电气连接，用于对原子气室5中铷原子与抽运激光以及探测激光相互作用所产生的含磁信息的调制光学信号进行处理、处理，得到待测磁场的磁场强度；
所述铷原子磁力仪的具体工作原理如下：原子气室5置于待测磁场中，抽运激光器1产生的抽运激光经过λ/4波片2后得到圆偏振光，圆偏振光与原子气室5内的铷原子相互作用，并对铷原子自旋进行高度极化，极化后的铷原子呈现出高度的二向色性；探测激光器3产生的探测激光经过偏振片4后得到线偏振光，线偏振光与极化后的铷原子相互作用，使极化后的铷原子进行拉莫尔进动，获得包含磁信息的调制光学信号；含磁信息的调制光学信号经过偏振分束器6后分成两路信号，一路信号经过光探测器Ⅰ7-1后通过放大器8的同相输入端输送到放大器8，另一路信号经过光探测器Ⅱ7-2后通过放大器8的反相输入端输送到放大器8，放大器8输出端输出的是含有磁信息的电信号；含有磁信息的电信号再经过信号处理单元9分析处理后，得到待测磁场的磁场强度；
其中，抽运激光器1与探测激光器3分别独立控制，二者所产生的抽运激光、探测激光相互垂直，且抽运激光与探测激光的失谐度为2kHz～20kHz；工作时，抽运激光器1的光功率控制在30mW～50mW内，原子气室5内充的氮气与氩气的体积比控制在2～6:1内，原子气室5内保持一个恒温环境且温度为80℃～120℃。
图2为极化后的铷原子与线偏振光相互作用后检测得到的磁光共振信号图，通过傅里叶函数拟合图2中幅度最高的峰对应的频率就是被测磁场对应的拉莫尔进动频率，根据铷原子磁光旋转产生的进动频率与测量磁场的关系式可以计算得到待测的磁场强度，具体关系式如下：
B为待测磁场的磁场强度，f为进动频率，γ＝7为铷原子的磁旋比。图3为待测磁场的磁场信号图，根据图3的测试结果可知，本实施例所述铷原子磁力仪准确实现了对强度为10000nT的磁场探测。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种铷原子磁力仪，其特征在于：所述磁力仪包括抽运激光器(1)、λ/4波片(2)、探测激光器(3)、偏振片(4)、原子气室(5)、偏振分束器(6)、光探测器(7)、放大器(8)以及信号处理单元(9)；
原子气室(5)置于待测磁场中，λ/4波片(2)置于抽运激光器(1)与原子气室(5)之间的光路上，偏振片(4)置于探测激光器(3)与原子气室(5)之间的光路上，且所述两条光路相互垂直；原子气室(5)先后依次与偏振分束器(6)、光探测器(7)、放大器(8)、信号处理单元(9)电气连接，用于对原子气室(5)中铷原子与抽运激光以及探测激光相互作用所产生的含磁信息的调制光学信号进行处理、分析，得到待测磁场的磁场强度。
2.根据权利要求1所述的一种铷原子磁力仪，其特征在于：抽运激光器(1)产生的抽运激光与探测激光器(3)产生的探测激光之间的失谐度为2kHz～20kHz。
3.根据权利要求1所述的一种铷原子磁力仪，其特征在于：抽运激光器(1)输出的光功率为30mW～50mW。
4.根据权利要求1所述的一种铷原子磁力仪，其特征在于：原子气室(5)内还充有氮气和氩气，且氮气与氩气的体积比为2～6:1。
5.根据权利要求1所述的一种铷原子磁力仪，其特征在于：所述磁力仪工作时，原子气室(5)内为恒温环境，且温度为80℃～120℃。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108627780A (zh) * 2018-04-24 2018-10-09 上海理工大学 基于矢量Mathieu光束的弱磁量子传感系统
CN108957363A (zh) * 2018-04-28 2018-12-07 上海理工大学 基于多信号融合的弱磁场检测装置
CN112485732A (zh) * 2020-11-13 2021-03-12 山西大学 一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法与装置
CN113842147A (zh) * 2021-09-28 2021-12-28 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置
CN115524644A (zh) * 2022-09-22 2022-12-27 兰州空间技术物理研究所 一种抽运-检测型原子磁力仪探头结构

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101441253A (zh) * 2008-12-02 2009-05-27 浙江大学 高灵敏度原子磁力仪
US8587304B2 (en) * 2007-09-05 2013-11-19 The Regents Of The University Of California Optical atomic magnetometer
CN103744034A (zh) * 2013-12-30 2014-04-23 浙江大学 一种提高cpt原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法
CN103869265A (zh) * 2014-03-26 2014-06-18 北京大学 用于光泵磁力仪的原子磁传感器
CN103869264A (zh) * 2014-03-26 2014-06-18 北京大学 用于光泵磁力仪的原子磁传感器
US20150377989A1 (en) * 2013-02-07 2015-12-31 Ben Gurion University Of The Negev Research And Development Authority Device and methodology for measuring minute changes in ambient magnetic field
CN106842074A (zh) * 2017-03-03 2017-06-13 中国人民解放军国防科学技术大学 基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪及使用方法
CN106872911A (zh) * 2017-03-03 2017-06-20 中国人民解放军国防科学技术大学 一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8587304B2 (en) * 2007-09-05 2013-11-19 The Regents Of The University Of California Optical atomic magnetometer
CN101441253A (zh) * 2008-12-02 2009-05-27 浙江大学 高灵敏度原子磁力仪
US20150377989A1 (en) * 2013-02-07 2015-12-31 Ben Gurion University Of The Negev Research And Development Authority Device and methodology for measuring minute changes in ambient magnetic field
CN103744034A (zh) * 2013-12-30 2014-04-23 浙江大学 一种提高cpt原子磁力仪灵敏度和绝对精度的差分方法
CN103869265A (zh) * 2014-03-26 2014-06-18 北京大学 用于光泵磁力仪的原子磁传感器
CN103869264A (zh) * 2014-03-26 2014-06-18 北京大学 用于光泵磁力仪的原子磁传感器
CN106842074A (zh) * 2017-03-03 2017-06-13 中国人民解放军国防科学技术大学 基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪及使用方法
CN106872911A (zh) * 2017-03-03 2017-06-20 中国人民解放军国防科学技术大学 一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孙伟民 等: "《光学原子磁力仪》", 31 August 2015, 哈尔滨工程大学出版社 *
杨世宇 等: "一种新型的激光抽运原子磁力仪", 《兵器装备工程学报》 *
杨世宇 等: "高灵敏度铷原子磁力仪研制", 《核电子学与探测技术》 *
王义遒: "《原子钟与时间频率系统 文集》", 31 October 2012, 北京：国防工业出版社 *
王学琳: "关于自旋偶合与自旋分裂问题", 《辽宁大学学报》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108627780A (zh) * 2018-04-24 2018-10-09 上海理工大学 基于矢量Mathieu光束的弱磁量子传感系统
CN108627780B (zh) * 2018-04-24 2021-03-02 上海理工大学 基于矢量Mathieu光束的弱磁量子传感系统
CN108957363A (zh) * 2018-04-28 2018-12-07 上海理工大学 基于多信号融合的弱磁场检测装置
CN112485732A (zh) * 2020-11-13 2021-03-12 山西大学 一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法与装置
CN113842147A (zh) * 2021-09-28 2021-12-28 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置
CN113842147B (zh) * 2021-09-28 2024-03-15 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置
CN115524644A (zh) * 2022-09-22 2022-12-27 兰州空间技术物理研究所 一种抽运-检测型原子磁力仪探头结构

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