CN108169803A - 一种针对交变磁场的宽频带测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对交变磁场的宽频带测量系统及方法，利用多个虚拟磁场作用下的原子与待测交变磁场发生磁共振作用，探测引起的光强变化并处理，得到待测交变磁场的幅值。本发明能够响应的交变磁场的频带范围很宽，可满足安装于运动平台上的原子磁力仪对宽频带地磁场测量的需求。

Description

一种针对交变磁场的宽频带测量系统及方法
技术领域
本发明涉及量子精密测量、空间磁场探测技术领域，具体涉及一种针对交变磁场的宽频带测量系统及方法。
背景技术
地磁场是一种重要的空间物理场，对地磁场的精确测量对空间磁测、资源勘探、军事探潜以及地磁匹配导航等都具有极重要的意义。然而，安装于卫星、飞机、导弹等运动平台上的原子磁力仪在对地磁场测量过程中，往往会受到来自于载体自身的磁场干扰，例如：1)铁磁材料的载体会被地磁场磁化而产生感应磁场；2)载体运动时通过自身导体材料的磁通会发生改变，进而产生涡流磁场；3)载体所携带的电器设备中的电流产生的干扰磁场。这些干扰磁场频率成分复杂，从几赫兹到几十甚至上百兆赫兹，尽管这些磁场幅值通常比较微弱，可是如果不能将它们测量并滤掉，就会对地磁场的高精度测量造成困难。因此，在基于运动平台的地磁场高精度测量过程中，需对宽频带的交变干扰磁场进行测量，为滤波降噪提供依据，且利于有针对性的地磁干扰补偿。
目前，针对交变磁场，常用的低频磁传感器包括磁通门磁强计、质子磁力仪、光泵磁力仪、超导量子干涉磁力仪和部分原子磁力仪。这些磁力仪的响应频段一般在直流到几赫兹或几十赫兹，最大不超过几百赫兹之间，不能响应更高频的磁场。常用的高频磁传感器就是感应式磁力仪，其基于法拉第电磁感应原理，频率响应在几赫兹以上，几十或几百kHz以下，MHz以上的交变磁场仍难以响应，难以满足地磁场高精度测量的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种针对交变磁场的宽频带测量系统及方法，能够响应的交变磁场的频带范围很宽，可满足安装于运动平台上的原子磁力仪宽频带地磁场测量的需求。
本发明的具体实施方案如下：
一种针对交变磁场的宽频带测量方法，所述测量方法利用多个虚拟磁场作用下的原子与待测交变磁场发生磁共振作用，探测引起的光强变化并处理，得到待测交变磁场的幅值。
进一步地，所述多个虚拟磁场的强度大小呈等差数列。
进一步地，所述多个虚拟磁场是激光通过微透镜阵列后经过四分之一波片转化，聚焦到原子气室内的气态碱金属原子上形成的。
一种针对交变磁场的宽频带测量系统，由激光模块、分光模块、原子气室、信号检测及处理模块组成；
所述激光模块用于提供产生虚拟磁场的激光以及泵浦光；
所述分光模块用于将所述激光形成多束圆偏振光；
所述原子气室内部为气态碱金属原子，多束圆偏振光作用在气态碱金属原子上形成多个虚拟磁场；
所述信号检测及处理模块用于检测由于多个虚拟磁场作用下的原子与待测交变磁场发生磁共振作用引起的光强变化，并处理得到待测交变磁场的幅值。
进一步地，所述激光模块包括两个半导体激光器和空间光调制器；
一个半导体激光器发出的激光经空间光调制器调节后形成多束强度大小呈等差数列的激光，另一个半导体激光器发出的激光作为泵浦光。
进一步地，所述分光模块包括微透镜阵列和四分之一波片；
所述激光通过微透镜阵列形成多束聚焦光，再经过四分之一波片转化，形成多束圆偏振光聚焦到原子气室内的气态碱金属原子上。
进一步地，所述原子气室内充入惰性缓冲气体并在原子气室壁上镀膜，通过加热将碱金属原子由固体变为气态。
有益效果：
1、本发明利用多个虚拟磁场作用下的原子与待测交变磁场发生磁共振作用，来实现对交变磁场宽频带的测量，由于多个虚拟磁场的强度叠加起来范围宽，使得其响应的交变磁场的频率范围宽，实现对宽频带的交变干扰磁场测量，为滤波降噪提供依据，且利于有针对性的地磁干扰补偿，可满足安装于运动平台上的原子磁力仪高精度地磁场测量的需求。
2、本发明的多个虚拟磁场的强度大小呈等差数列，强度大小排布有规律，便于测磁，后续处理分析更为便捷。
3、本发明利用微透镜阵列产生虚拟磁场阵列，简便易于实现。
4、本发明在原子气室内充入惰性缓冲气体并在原子气室壁上镀膜，提高了原子气室内碱金属原子的极化态寿命。
附图说明
图1是本发明的磁光共振光谱探测系统示意图；
图2是本发明实施例的系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
现有技术中，静磁场作用下的原子和交变磁场发生磁共振作用，引起光强变化，有探测光强的变化并处理得到静磁场的方法。本发明要利用与交变磁场发生磁共振引起光强变化，来测交变磁场，但是静磁场达不到宽频带交变磁场测量的要求，因此，本发明采用了多个虚拟磁场，强度叠加起来范围宽，总能找到一个与交变磁场发生磁共振作用的虚拟磁场，实现宽频带交变磁场的测量。
本发明提供了一种针对交变磁场的宽频带测量系统，基于激光诱导虚拟磁场技术，由半导体激光器A、空间光调制器、微透镜阵列、四分之一波片、半导体激光器B、原子气室和信号检测及处理模块组成，如图1所示。
半导体激光器A：大功率激光器，用来提供用于产生虚拟磁场的激光。包括频率稳定模块和功率稳定模块，频率稳定模块用来抑制其中心频率漂移，功率稳定模块用来减缓其功率抖动。
空间光调制器：用于对半导体激光器A产生的激光的功率进行控制。
微透镜阵列：一组二维的透镜阵列，激光透过后形成N束聚焦光，并入射到原子气室内的气态碱金属原子上。
四分之一波片：将线偏振光转化为圆偏振光。
半导体激光器B：发出的激光作为泵浦光照射到原子气室上，实现原子的光抽运，通过记录其透过光的光强的变化来实现对待测交变磁场的测量。
原子气室：一个密封有碱金属原子的玻璃元器件，是整个系统的核心部件。由于碱金属原子常温下为固态，工作时要求为气态，因而原子气室需要加热。
信号检测及处理模块：可将接收到的光信号转化为电信号，并对该电信号进行处理和分析，最终得到待测的交变磁场幅值。
当基态碱金属原子处于激光场中，激光是圆偏振光，激光频率在跃迁D线附近时，激光频率相对于D1和D2跃迁分别失谐为Δ1/2和Δ32，并且满足Δ3/2＝-2Δ1/2，则相应的交流斯塔克频率移动U为：
U＝μBB*gFmF (1)
其中，μB是玻尔磁子，B*是虚拟磁场的大小，它的方向垂直于激光等相位面，gF是朗德g因子，mF是磁量子数。
其中，I代表激光强度，n为主量子数，S和P是轨道角动量量子数，角标1/2和3/2代表考虑了自旋轨道耦合后的总角动量量子数的取值，er表示跃迁算符，<ns1/2|er|nP1/2>是跃迁矩阵。
利用圆偏振的激光作用于碱金属原子，当激光频率满足一定关系时，原子能级的劈裂具有和外界弱磁场引起的能级劈裂相同的规律，其可以看作是由虚拟磁场作用于原子而导致的，虚拟磁场的方向沿激光传播方向，虚拟磁场的大小与激光强度成正比，可由公式(2)给出。
半导体激光器A发出的特定波长的大功率激光经过空间光调制器后，变为N束强度呈等差数列的激光，所谓的特定波长即为激光的频率失谐满足Δ3/2＝-2Δ1/2，接着通过微透镜阵列后成为N束聚焦光，再经过λ/4波片变为N束实验所需的圆偏振光，入射到原子气室内的气态碱金属原子上。由理论分析可知，这N束圆偏振光在有限的原子气室范围内会形成N个虚拟磁场，记为B1、B2、…、BN，其强度分布涵盖设定的强度范围。原子气室中的碱金属原子的能级劈裂程度也依次增加。
半导体激光器B发出的激光作用于碱金属原子，当其频率与碱金属原子的D1线相对应时，发生光泵作用，原子被极化。待测交变磁场作用在原子气室中的碱金属原子上，当待测交变磁场即fa、fb、…中的某个频率成分(如fa)与某个虚拟磁场(如B2)作用下原子的拉莫尔进动频率匹配时，即fa＝γB2，γ为旋磁比，磁共振作用发生。此时，光电探测器接收到的光强会发生变化。以此类推，由于虚拟磁场的大小涵盖设定的范围，待测交变磁场的各频率成分都会发生磁共振作用，光强变化。信号检测及处理模块由光电探测器、放大模块及信号提取模块构成，光电探测器探测所有磁共振作用发生前后光强变化的光信号，经放大模块对该光信号放大后，分析提取得到待测交变磁场的幅值。
本实施例中，原子气室为圆柱形玻璃气室，碱金属原子采用87Rb原子作为工作物质，其温度需要控制在50℃左右以维持铷原子稳定的饱和蒸汽压。为了提高铷原子的极化态寿命，对原子气室充入惰性缓冲气体并在气壁上镀膜。
宽频带测量系统由半导体激光器A、空间光调制器、微透镜阵列、四分之一波片、半导体激光器B、原子气室、线圈、光电探测器、放大模块及信号提取模块组成，如图2所示。
线圈：用于提供待测的多频交变磁场信号，该信号要作用于原子气室上。
87Rb原子的D1和D2跃迁分别为795nm和780nm，失谐满足Δ3/2＝-2Δ1/2，半导体激光器A的频率应选在790nm附近。空间光调制器与计算机相连，通过程序来控制透过的光功率。微透镜阵列基板采用塑料材质，安装的微透镜10×10共100个，间距2mm。
通过空间光调制器、微透镜阵列和λ/4波片后的激光束技术指标为形成圆偏振光，光功率密度100mW/mm2-10W/mm2；束腰半径10μm。半导体激光器B采用与87Rb原子D1线相对应的795nm的激光。光电探测器采用New Focus生产的高速光电探测器，可响应795nm波长，3dB带宽为DC-125MHz。
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 (7)

1.一种针对交变磁场的宽频带测量方法，其特征在于，所述测量方法利用多个虚拟磁场作用下的原子与待测交变磁场发生磁共振作用，探测引起的光强变化并处理，得到待测交变磁场的幅值。
2.如权利要求1所述的针对交变磁场的宽频带测量方法，其特征在于，所述多个虚拟磁场的强度大小呈等差数列。
3.如权利要求2所述的针对交变磁场的宽频带测量方法，其特征在于，所述多个虚拟磁场是激光通过微透镜阵列后经过四分之一波片转化，聚焦到原子气室内的气态碱金属原子上形成的。
4.一种针对交变磁场的宽频带测量系统，其特征在于，由激光模块、分光模块、原子气室、信号检测及处理模块组成；
所述激光模块用于提供产生虚拟磁场的激光以及泵浦光；
所述分光模块用于将所述激光形成多束圆偏振光；
所述原子气室内部为气态碱金属原子，多束圆偏振光作用在气态碱金属原子上形成多个虚拟磁场；
所述信号检测及处理模块用于检测由于多个虚拟磁场作用下的原子与待测交变磁场发生磁共振作用引起的光强变化，并处理得到待测交变磁场的幅值。
5.如权利要求4所述的针对交变磁场的宽频带测量系统，其特征在于，所述激光模块包括两个半导体激光器和空间光调制器；
一个半导体激光器发出的激光经空间光调制器调节后形成多束强度大小呈等差数列的激光，另一个半导体激光器发出的激光作为泵浦光。
6.如权利要求5所述的针对交变磁场的宽频带测量系统，其特征在于，所述分光模块包括微透镜阵列和四分之一波片；
所述激光通过微透镜阵列形成多束聚焦光，再经过四分之一波片转化，形成多束圆偏振光聚焦到原子气室内的气态碱金属原子上。
7.如权利要求4所述的针对交变磁场的宽频带测量系统，其特征在于，所述原子气室内充入惰性缓冲气体并在原子气室壁上镀膜，通过加热将碱金属原子由固体变为气态。
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