CN108226820B - 基于相干布居囚禁的磁场的矢量测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统及方法，系统包括：原子气室，原子气室置于待测磁场中，并用于容纳原子气体；光源系统，用于发射探测激光，探测激光具有两个频率成分，并沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室；探测系统，用于分别探测沿各传输路径传输的探测激光经所述原子气体透射后的光强度；控制系统，用于调节所探测激光的两个频率成分的频率，并根据探测系统所检测的光强度确定由于两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰。通过上述方式，本申请能够同时实现至少两磁场大小与方向的探测使得原子磁力仪无探测死区。

Description

基于相干布居囚禁的磁场的矢量测量系统及方法

技术领域

本申请涉及弱磁场测量技术领域，特别是涉及一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统及方法。

背景技术

磁场由磁感应强度

来表示，它是一个矢量(既有强度又有方向)。磁场的精密测量在军民两个领域都有非常重要的应用，目前对磁场的测量基于以下物理效应：电磁感应效应、霍尔效应、超导约瑟夫森效应和原子塞曼(Zeeman)效应等。不同的效应对应不同的磁场测量方法，依据不同的测量方法制成的测量装置或仪表为磁力仪。

基于原子塞曼效应的磁场测量技术为原子磁力仪技术，其简要测量原理为，原子具有分立的能级，在磁场中这些分立的能级会发生劈裂(即Zeeman效应)，能级劈裂的大小与磁场大小具有一定的关系，依据不同的探测技术探测得到原子能级劈裂的大小即可推算出磁场的大小，这样便实现磁感应强度大小的测量，属标量磁力仪技术。

目前，标量原子磁力仪技术缺点只能测量磁场的强度值，不能测量磁场的方向，且一般情况下测量有死角，当磁场方向与激光传播接近垂直时，不能探测或者需要较大的改动。

发明内容

本申请提供一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统及方法，能够同时实现各方向上的磁场探测，使得原子磁力仪无探测死区，以及对磁场扰动的矿物、军事设施、地下掩体等探测场景的应用更加灵敏与方便。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统，所述系统包括：原子气室，所述原子气室置于待测磁场中，并用于容纳原子气体，所述原子气体能够在所述待测磁场的作用下发生能级分裂；光源系统，用于发射探测激光，所述探测激光具有两个频率成分，并沿至少两个正交设置的传输路径入射到所述原子气室；探测系统，用于分别探测沿各所述传输路径传输的所述探测激光经所述原子气体透射后的光强度；控制系统，用于调节所述探测激光的所述两个频率成分的频率，并根据所述探测系统所检测的光强度确定由于所述两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征所述待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰，所述控制系统进一步根据所述目标相干布居囚禁峰所对应的所述两个频率成分的频率计算所述待测磁场的大小。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量方法，所述方法包括：将原子气室置于待测磁场中，所述原子气室用于容纳原子气体，所述原子气体能够在所述待测磁场的作用下发生能级分裂；将具有两个频率成分的探测激光沿至少两个正交设置的传输路径入射到所述原子气室；分别探测沿各所述传输路径传输的所述探测激光经所述原子气体透射后的光强度；调节所述探测激光的所述两个频率成分的频率，并根据所检测的光强度确定由于所述两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征所述待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰；根据所述目标相干布居囚禁峰所对应的所述两个频率成分的频率计算所述待测磁场的大小

本申请的有益效果是：提供一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统及方法，通过设置至少两对正交的相干布居囚禁结构，并测量相干布居囚禁透射峰的强度，可以同时实现至少两个方向上磁场大小的测量，使得原子磁力仪不存在探测死区。

附图说明

图1是本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统第一实施方式的结构示意图；

图2是本申请碱金属(铷)原子能级结构示意图；

图3是本申请原子跃迁的选择定则一实施方式的原理示意图；

图4是本申请探测激光的出射频率的成分示意图；

图5是本申请相干布局囚禁能级结构示意图；

图6是为本申请圆偏振光与碱金属^Rb87原子相互作用的示意图；

图7是本申请相干布局囚禁透射峰一实施方式的示意图；

图8是本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统第二实施方式的结构示意图；

图9是本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统第三实施方式的结构示意图；

图10是本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统第四实施方式的结构示意图；

图11是本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量方法第一实施方式的流程示意图；

图12是本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量方法第二实施方式的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

基于原子塞曼效应的磁场测量技术为原子磁力仪技术，其简要测量原理为，原子具有分立的能级，在磁场中这些分立的能级会发生劈裂(即Zeeman效应)，能级劈裂的大小与磁场大小具有一定的关系，依据不同的探测技术探测得到原子能级劈裂的大小即可推算出磁场的大小，便实现磁感应强度大小的测量。

请一并参阅图1，图1本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统第一实施方式的结构示意图。如图1，本实施例中的磁场测量系统10包括：原子气室11、光源系统12、探测系统13以及控制系统14。

原子气室11置于待测磁场中，并用于容纳原子气体，且原子气体能够在待测磁场的作用下发生能级分裂。其中，原子气室11的形状可以为正方体、长方体等，此处不做进一步限定。本申请中所采用的原子气体为碱金属原子气体，具体可以为锂原子、钠原子、钾原子、铷原子、铯原子、钫原子等中的一种。本实施例中原子气室11中容纳^Rb87原子气体。可选地，本申请中的^Rb87原子气体在待测磁场的作用下，原子谱线能级会发生能级分裂。磁场中原子谱线发生分裂的现象，也叫Zeeman分裂。这是由于原子磁矩与磁场相互作用，使得原子内态的能级产生移动并劈裂，依据量子力学原理，计算得到能级分裂的大小与磁场的关系如公式1：

ΔB＝g_Fμ_Bm_FB (1)

其中，ΔB为原子能量的移动大小，g_F为兰德(lander)因子，μ_B为玻尔磁子，m_F为磁量子数，B为外加磁场大小。对于特定的超精细量子数F，m_F的取值为-F,-(F-1),……0……，F-1，F，因此能级分裂为2F+1个能级。

请具体参照图2，图2为本申请碱金属(铷)原子能级结构示意图，如图所示，⁸⁷Rb原子能级的基态为5S_1/2，激发态为5P_1/2，基态与此激发态之间的跃迁波长为795nm，称为D1线。在具体的操作中，选择⁸⁷Rb原子的D1线主要有两个原因，其一，⁸⁷Rb的旋磁比相比其他原子来说较大，可以较为明显的反应磁场信息。其二，⁸⁷Rb原子的能级结构相对于⁸⁵Rb来说较为简单一些，在实际分析的过程中会比较方便。如图2，基态的两个超精细分裂能级为F＝1和F＝2，能级差为6.83GHz，且这两个基态的兰德因子g_F大小相等，方向相反，即在磁场中的分裂大小相等，但移动方向相反。其中，基态能级5S_1/2-F＝1的能级分裂为三条，能级5S_1/2-F＝2分裂为5条。类似的5P_1/2的超精细分裂也有两个，在磁场中又进一步分裂，在弱磁场中分裂的大小为：

Δω＝γB (2)

其中，γ为旋磁比，是一个常数，且不同的原子其旋磁比不相同。

结合图3，图3为本申请原子跃迁的选择定则一实施方式的原理示意图，不同的原子分布在不同的能级上，且当原子处于某一能级E1时，可以通过吸收(或发射)一个光子，跃迁到另一个能级E2上，并满足

其中，ω为光子的频率，

为约化普朗克常量，E2>E1为吸收光子，反之则发射光子。当然，并不是任何两能级之间都可以随便跃迁，原子在能级之间的跃迁必须满足选择定则，否则不能通过光子进行跃迁。

可选地，对于本申请中所涉的^Rb87原子D1线跃迁，则需满足ΔF＝0，±1，Δm＝0，±1，其中能引起Δm＝1的跃迁的光称为σ⁺光，引起Δm＝-1跃迁的为σ^-光，Δm＝0的跃迁对应于π光。其中，F为原子的总角动量数，m为磁量子数。

进一步，光源系统12用于发射探测激光，且该探测激光具有两个频率成分，并沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室11中。其中，光源系统12进一步包括：激光管121和微波源122。

激光管121用于产生频率为ω₀的探测激光。其中，控制系统14通过连接线对激光管121的温度和电流进行控制，以调节激光管121的出光频率ω₀，使其与原子气室11中的^Rb87原子的D1线发生能级的跃迁共振，且其跃迁波长为795nm。

微波源122，用于产生频率为ω_d的微波。其中，微波源122产生的微波通过微波连接线对激光管121产生的探测激光进行调制，以产生频率分别为ω₁＝ω₀-ω_d和ω₂＝ω₀+ω_d的两个频率成分的探测激光，其中控制系统14通过控制微波源122来调节微波的频率ω_d，进而调节两个频率成分的探测激光的频率。

可选地，进一步通过控制系统14调节微波源122的功率，使得两个频率成分的探测激光的功率最强，且设置微波源122的频率ω_d为原子基态的两个超精细能级分裂大小ΔE的一半(3.42GHz)，即

此时激光管121的出射激光的频率成分如图4所示，图4为本申请探测激光的出射频率的成分示意图。且频率分别为ω₁和ω₂的探测激光分别沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室11中，并和原子气室11中的^Rb87原子气体分裂能级之间发生的能级的相干耦合，具体可以是能级间的Λ型耦合。

本实施例中，频率分别为ω₁和ω₂的探测激光分别沿两个正交设置的传输路径入射到原子气室11。

且本实施例中，两个正交传输路径中的一个传输路径上的光学元件进一步可以包括依序设置于光源系统12和原子气室11之间的第一相位延迟片z、第一分光元件y以及第一偏振调整元件x1。其中，另一传输路径上的光学元件可以包括依序设置与第一分光元件y和原子气室11之间的第一反射元件w1、第二相位延迟片v、第二反射元件w2以及第二偏振调整元件x2。

其中，第一相位延迟片z及第二相位延迟片v可以为半波片，用于对激光管121产生的线偏振激光的偏振方向进行旋转。第一分光元件y可以为偏振分束器，用于将经过第一相位延迟片z后的探测激光进行分束，使得透射后的激光功率和反射的激光功率之比为1:1，当然在其它实施例中，该第一分光元件y的分光比也可以为其他比值，此处不做进一步限定。其中，透射后的激光通过第一偏振调整元件x1进入原子气室11，并和原子气室11中的⁸⁷Rb原子发生能级耦合，具体可以是Λ型耦合。其中，第一偏振调整元件x1可以为电动半波片，通过调整第一偏振调整元件x1的设置角度，可以实现对探测激光的偏振方向的调整。

可选地，第一分光元件y反射的探测激光进入第一反射元件w1后被进一步反射至第二相位延迟片v，并进一步通过第二反射元件w2、第二偏振调整元件x2传输至原子气室11中。其中，第二偏振调整元件x2可以为电动半波片。

请参照图5，图5为本申请相干布局囚禁能级结构示意图。其中，相干布局囚禁(Coherent Population Trapping，CPT)是指用两相位差恒定的相干激光将原子基态的两超精细能级耦合到一个共同的激发态，如果两激光的频率差严格等于原子两超精细能级差对应的频率，则原子会被抽运到两个超精细能级的一个相干叠加态，即相干暗态，此时激发态上没有原子，且原子将不再吸收光子，原子被“布居囚禁”在基态的两超精细能级上，表现为其荧光光谱有一尖锐共振暗线。

如图5，当频率分别为ω₁和ω₂的探测激光E1与E2与三能级原子构成Λ型耦合，当激光频率满足双光子共振

且单光子近乎共振时，即

此时，可以通过微波源122发射的微波对探测激光的强度进行调节，使得原子处于能级|1>和能级|2>的相干叠加态上，此时原子处于暗态，其既不辐射光子也不吸收光子，对激光E1是透明的，此为相干布局囚禁(CPT)，也就是说原子处于CPT态。此时测量激光E1透射谱，那么在满足双光子共振的频率点出现很窄的透射峰，即为相干布局囚禁峰。

请进一步参阅图6，图6为本申请圆偏振光与碱金属^Rb87原子相互作用的示意图。

碱金属^Rb87原子基态的两个超精细分裂能级，在磁场

中发生能级劈裂，设两束频率分别为ω₁和ω₂的线偏振激光与铷原子D1相互作用并构成如图5所示的Λ型能级耦合，两束激光光路重合且同向传播，波矢量分别为

和

偏振方向分别为

和

根据激光特性，有

即激光的波矢量和其偏振方向相互垂直。此时，可以根据波矢量

和磁场

确定的平面的法向

可以得到线偏振光和垂直于法向

的部分

和平行于法向

的部分

其中，垂直部分光与原子相互作用时可以分为σ⁺光和σ^-光，垂直部分的光包含π光，此时可以微调激光的频率ω₁，使得圆偏振光与^Rb87原子构成的CPT结构可以有如图6所示的几种形式，具体可以为Λ1(σ+，σ+)，Λ2(σ-，σ-)，Λ3(σ-，σ+)，Λ4(σ+，σ-)。其中，π光与圆偏振的结构定义为Λ5(π，π)(图未示)。

探测系统13，用于分别探测沿各传输路径传输的探测激光经原子气体11透射后的光强度。且本实施例中的探测系统13可以包括多个设置在不同传输路径上的光电探测管，当然在其它实施例中也可以为其他的探测器，此处不做进一步限定。且本实施例中包括两个正交设置的传输路径，且每一传输路径上均设置一光电探测管，光电探测管b和光电探测管c。具体地，两个频率成分的探测激光和原子气室11中的^Rb87原子气体反应后分别被两个传输方向的光电探测管探测，并进一步通过信号线传输给控制系统14进行信号处理。

可选地，控制系统14进一步可以包括控制电路(图未示)，用于调节探测激光的两个频率成分的频率，并根据探测系统所检测的光强度确定由于所述两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰，控制系统14进一步根据目标相干布居囚禁峰所对应的两个频率成分的频率计算待测磁场的大小。

请进一步结合图7，图7为本申请相干布局囚禁透射峰一实施方式的示意图。通过微波源122发射的微波对探测激光的强度进行调节，使得原子处于能级|1>和能级|2>的相干叠加态上，即原子处于CPT态时。通过探测系统13探测得到探测激光经原子气室11反应后的透射光谱图为图7所示，当然图7只是给出了类似的透射谱线图，并不代表实际的透射谱线条。图7中示意性的给出7条相干布居囚禁峰，其中，相干布居囚禁峰2和相干布居囚禁峰6为与σ⁺光和/或σ^-光相关的目标相干布居囚禁峰，含所有耦合，强度也最强。相干布居囚禁峰1、3、5、7为与π光相关的目标相干布居囚禁峰。其中，相干布居囚禁峰4为最强相干布居囚禁峰，且与磁场无关。

进一步可以得到，各相干布局囚禁峰和最强相干布局囚禁峰之间的能级差为：

其中，Δn为随微波的频率的变化以整数1为步长对相干布居囚禁峰进行顺序编号时，最强相干布居囚禁峰与所述目标相干布居囚禁峰的编号差的绝对值，γ为旋磁比。

在具体实施例中，可以选择最强相干布居囚禁峰以外的相干布居囚禁峰作为目标相干布居囚禁峰，即选择和σ⁺光和/或σ^-光相关的相干布居囚禁峰或与π光相关的相干布居囚禁峰。可选地，本实施例中，选用和σ⁺光和/或σ^-光相关的相干布居囚禁峰作为目标相干布居囚禁峰，即图7中的峰2或者峰6。控制系统14进一步根据目标相干布居囚禁峰所对应的两个频率成分的频率计算待测磁场的大小。具体地，控制系统14通过以下公式计算所述待测磁场的大小：

B为待测磁场的大小，Δω＝|ω_d0-ω_d1|，ω_d0为最强相干布居囚禁峰所对应的微波的频率(3.4184GHz)，ω_d1为目标相干布居囚禁峰2所对应的微波的频率，当然此处也可以是目标相干布居囚禁峰6所对应的微波的频率ω_d3，即Δω＝ω_d0-ω_d1＝ω_d3-ω_d0，则根据上述公式可以得到磁场B的大小，实现标量磁场的测量。

当然，在其它实施例中，也可以采用与π光相关的相干布居囚禁峰作为目标相干布居囚禁峰，且具体的计算方法和上述采用σ⁺光和/或σ^-光相关的相干布居囚禁峰作为目标相干布居囚禁峰的算法类，此处不再赘述。

进一步地，在算出待测磁场的磁场强度后，控制系统14分别计算经过沿各传输路径传输的探测激光的波矢量且平行于记录的偏振方向的平面，并将计算得到的至少两个平面的相交线作为待测磁场的方向。

具体地，在获得待测磁场B的强度后，首先固定微波源122的频率为ω_d1，再通过控制系统14中的控制电路(图未示)进一步调整第一偏振调整元件x1及第二偏振调整元件x2(电动半波片)的角度(θ1，θ2)，并通过探测系统13中设置于每一传输路径上的光电探测管探测透射峰的信号强度，由于第一偏振调整元件x1及第二偏振调整元件x2角度的旋转引起探测激光偏振方向

(i＝1,2为两个方向的探测激光)的改变，当满足

时，探测激光与^Rb87原子相互作用的π光成分最少，圆偏振光成分最大，因此与圆偏光相关的相干布居囚禁峰2或相干布居囚禁峰6强度最强。在具体实施例中，因第一偏振调整元件x1及第二偏振调整元件x2的角度θ1，θ2的变化，探测系统13探测到信号的强度也呈现震荡变化，故当满足

时，探测信号强度最强，此时控制系统14记录第一偏振调整元件x1及第二偏振调整元件x2的角度值θ₁₀以及θ₂₀。同时，也可以确定探测激光

(i＝1,2)的偏振方向分别为

并记录，进一步波矢量

(i＝1,2)的方向也可以确定(相互垂直)。

进一步，可以得到

控制系统14记录波矢量

且与

垂直的平面为Σ1，波矢量

且与

垂直的平面为Σ2，且磁场

均位于平面Σ1及平面Σ2内，故平面Σ1及平面Σ2的相交线即为磁场方向，由此可以实现磁场的矢量测量。

上述实施方式中，通过设置至少两对正交的相干布居囚禁结构以及改变探测激光的偏振方向，并测量相干布居囚禁透射峰的强度，可以同时实现弱磁场的磁场强度以及磁场方向的测量，解决了原子磁力仪矢量测量的问题，使原子磁力仪在磁异常时更加灵活，以及对磁场扰动的矿物、军事设施、地下掩体等探测场景的应用更加灵敏与方便。

请进一步参阅图8，图8为本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统第二实施方式的结构示意图。本实施例中的磁场测量系统是在第一实施方式中磁场测量系统上的进一步扩展，且和第一实施方式中的系统大致相同，不同之处在于本实施例中的探测激光沿三个正交设置的传输路径入射到原子气室中，且和第一实施方式中相同之处本实施例中不再赘述，具体描述如下：

如图8，本实施例中的磁场测量系统20包括：原子气室21、光源系统22、探测系统23以及控制系统24。

其中，原子气室21置于待测磁场中，并用于容纳原子气体，且原子气体能够在待测磁场的作用下发生能级分裂。其中，原子气室21的形状可以为正方体、长方体等，此处不做进一步限定。本实施例中所采用的原子气体为碱金属原子气体，具体可以为锂原子、钠原子、钾原子、铷原子、铯原子、钫原子等中的一种。和第一实施方式相同本申请中采用^Rb87原子作为原子气体。且^Rb87原子在磁场的作用下发生塞曼分裂等具体的描述详见第一实施方式，此处不再赘述。

光源系统22用于发射探测激光，且该探测激光具有两个频率成分，并沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室21中。本实施例中，探测激光沿三个正交设置的传输路径入射到原子气室21中。

其中，光源系统22进一步包括：激光管221和微波源222。

激光管221用于产生频率为ω₀的探测激光。其中，控制系统24通过连接线对激光管221的温度和电流进行控制，以调节激光管221的出光频率ω₀，使其与原子气室21中的^Rb87原子的D1线发生能级的跃迁共振，且其跃迁波长为795nm。

微波源222，用于产生频率为ω_d的微波。其中，微波源222产生的微波通过微波连接线对激光管221产生的探测激光进行调制，以产生频率分别为ω₁＝ω₀-ω_d和ω₂＝ω₀+ω_d的两个频率成分的探测激光，其中控制系统24通过控制微波源222来调节微波的频率ω_d，进而调节两个频率成分的探测激光的频率。

可选地，控制系统24调节微波源222的功率使得具有两个频率成分的探测激光入射到原子气室21中与^Rb87原子发生相干布居囚禁效应的具体原理和过程详见第一实施方式中的具体描述，此处不再赘述。

本实施例中，频率分别为ω₁和ω₂的探测激光分别沿三个正交设置的传输路径入射到原子气室21。

三个正交传输路径中的第一传输路径上的光学元件进一步可以包括依序设置于光源系统22和原子气室21之间的第一相位延迟片z1、第一分光元件y1以及第一偏振调整元件x1。

第二传输路径上的光学元件可以包括依序设置与第一分光元件y1和原子气室21之间的第一反射元件w1、第二相位延迟片z2、第二分光元件y2、以及第二偏振调整元件x2。

第三传输路径上的光学元件可以包括依序设置第二分光元件y2和原子气室21之间的第二反射元件w2、第三反射元件w3以及第三偏振调整元件x3。

其中，第一相位延迟片z1及第二相位延迟片z2可以为半波片，用于对激光管221产生的线偏振激光的偏振方向进行旋转。第一分光元件y1及第二分光元件y2可以为偏振分束器，可以将探测激光进行分光，以使得分光后的探测激光分别沿上述三个正交设置的传输路径入射到原子气室21，且具有相同的光强度。具体有，第一分光元件y1的分光比可以设置为1:2，即透射光强和反射光强的之比为1:2。第二分光元件y2的分光比可以设置为1:1，以使得探测激光透射光强和反射光强之比为1:1，进而使得从三个正交设置的传输路径进入原子气室的探测激光的光强相等。当然，在其它实施例中，通过设置偏振分束器的分光比，可以使得从三个正交设置的传输路径进入原子气室的探测激光的光强不相等，此处不做进一步限定。

可选地，第一反射元件w1、第二反射元件w2及第三反射元件w3可以为平面反射镜，用于反射探测激光。

第一偏振调整元件x1、第二偏振调整元件x2以及第三偏振调整元件x3可以为电动半波片，用于对探测激光的偏振方向进行调整。

可选地，本实施例中，当频率分别为ω₁和ω₂的探测激光E1与E2与三能级原子构成Λ型耦合，通过微波源222发射的微波对探测激光的强度进行调节，使得原子处于能级|1＞和能级|2＞的相干叠加态上，即满足相干布局囚禁。且^Rb87原子和频率为ω₁和ω₂的线偏振激光相互作用的具体描述详见上述实施方式，此处不再赘述。

探测系统23，用于分别探测沿各传输路径传输的探测激光经原子气体21透射后的光强度。且本实施例中的探测系统23可以包括三个设置在不同传输路径上的光电探测管a,b和c。当然在其它实施例中也可以为其他的探测器，此处不做进一步限定。且本实施例中包括三个正交设置的传输路径，且每一传输路径上均设置一光电探测管。具体地，两个频率成分的探测激光和原子气室21中的^Rb87原子气体反应后分别被两个传输方向的光电探测管探测，并进一步通过信号线传输给控制系统24进行信号处理。

控制系统24进一步可以包括控制电路(图未示)，用于调节探测激光的两个频率成分的频率，并根据探测系统所检测的光强度确定由于所述两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰，控制系统24进一步根据目标相干布居囚禁峰所对应的两个频率成分的频率计算待测磁场的大小。

可选地，本实施例中，待测磁场的大小的计算方法和第一实施方式中类似，此处不再赘述。与第一实施方式中不同之处在于，本实施例中，由于是设置了三个正交的传输方向，且在每一传输方向上都相应的设置了光电探测管，可以同时实现三个方向上的磁场探测，使得原子磁力仪无探测死区。

进一步，在得到三个正交方向上的磁场的强度后，和第一实施方式类似，固定微波源222的频率为ω_d1，再通过控制系统24中的控制电路进一步调整第一偏振调整元件x1、第二偏振调整元件x2以及第三偏振调整元件x3(电动半波片)的角度(θ1，θ2，θ2)，并通过探测系统23中设置于每一传输路径上的光电探测管探测透射峰的信号强度，由于第一偏振调整元件x1、第二偏振调整元件x2及第三偏振调整元件x3角度的旋转引起探测激光偏振方向

(i＝1,2，3为三个方向的探测激光)的改变，当满足

时，探测激光与^Rb87原子相互作用的π光成分最少，圆偏振光成分最大，因此与圆偏光相关的相干布居囚禁峰强度最强。

在具体实施例中，因第一偏振调整元件x1、第二偏振调整元件x2及第三偏振调整元件x3的角度θ1，θ2及θ3的变化，探测系统23探测到信号的强度也呈现震荡变化，故当满足

时，探测信号强度最强，此时控制系统24记录第一偏振调整元件x1、第二偏振调整元件x2及第三偏振调整元件x3的角度值θ10、θ20以及θ30。同时，也可以确定探测激光

(i＝1,2,3)的偏振方向分别为

并记录，进一步波矢量

(i＝1,2,3)的方向也可以确定(相互垂直)。

进一步，可以得到

控制系统24记录波矢量

且与

垂直的平面为Σ1，波矢量

且与

垂直的平面为Σ2，波矢量

且与

垂直的平面为Σ3。且磁场

均位于平面Σ1、平面Σ2及平面Σ3内，故平面Σ1、平面Σ2及平面Σ3的相交线即为磁场方向，由此可以实现磁场的矢量测量。

上述实施方式中，通过设置三对正交的相干布居囚禁结构以及改变探测激光的偏振方向，并测量相干布居囚禁透射峰的强度，可以同时实现三个方向上的磁场强度和方向的测量，使得原子磁力仪不存在探测死区。

请参阅图9，图9为本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统第三实施方式的结构示意图。本实施例是在第一实施方式的基础上的进一步扩展，且和第一实施方式大致相同，不同之处在于本实施例中，具有两个频率成分的探测激光是由两台独立的激光器产生，并且可以通过对两台独立激光器发出的激光进行锁相完成频率的调节，和第一实施例方式中相同之处不再赘述，具体描述如下：

本实施例中的磁场测量系统30包括：原子气室31、光源系统32、探测系统33以及控制系统34。

其中，原子气室31置于待测磁场中，并用于容纳原子气体，且原子气体能够在待测磁场的作用下发生能级分裂。其中，原子气室31的形状可以为正方体、长方体等，此处不做进一步限定。本申请中所采用的原子气体为碱金属原子气体，具体可以为锂原子、钠原子、钾原子、铷原子、铯原子、钫原子等中的一种。

光源系统32用于发射探测激光，且该探测激光具有两个频率成分，并沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室31中。且本实施例中的光源系统32进一步包括：第一激光器321以及第二激光器322。

其中，第一激光器321和第二激光器322分别用于产生具有两不同频率的探测激光，且该探测激光的频率可以分别为ω₁和ω₂。该具有两不同频率的探测激光沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室31中。本实施例中，探测激光分别沿三个正交设置的传输路径入射到原子气室31。该三个且正交设置的传输路径上光学元件以及光学元件具体位置的设置详见本申请第二实施方式的具体描述，此处不再赘述。

探测系统33，用于分别探测沿各传输路径传输的探测激光经原子气体31透射后的光强度。

控制系统34进一步可以包括控制电路(图未示)，用于调节探测激光的两个频率成分的频率，并根据探测系统所检测的光强度确定由于所述两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰，控制系统34进一步根据目标相干布居囚禁峰所对应的两个频率成分的频率计算待测磁场的大小。

可选地，上述原子气室31、探测系统33以及控制系统34的具体原理和控制过程详见上述第一及第二实施方式的具体描述，此处不再赘述。

上述实施方式中，通过设置至少两对正交的相干布居囚禁结构以及改变探测激光的偏振方向，并测量相干布居囚禁透射峰的强度，可以同时实现弱磁场的磁场强度以及磁场方向的测量，解决了原子磁力仪矢量测量的问题，使原子磁力仪在磁异常时更加灵活，以及对磁场扰动的矿物、军事设施、地下掩体等探测场景的应用更加灵敏与方便。

请参阅图10，图10本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统第四实施方式的结构示意图。本实施例是在第一实施方式的基础上的进一步扩展，且和第一实施方式大致相同，不同之处在于本实施例中，具有两个频率成分的探测激光是由两台独立的激光器产生，并且可以通过对两台独立激光器发出的激光进行锁相完成频率的调节，和第一实施例方式中相同之处不再赘述，具体描述如下：

本实施例中的磁场测量系统40包括：原子气室41、光源系统42、探测系统43以及控制系统44。

其中，原子气室41置于待测磁场中，并用于容纳原子气体，且原子气体能够在待测磁场的作用下发生能级分裂。其中，原子气室41的形状可以为正方体、长方体等，此处不做进一步限定。本申请中所采用的原子气体为碱金属原子气体，具体可以为锂原子、钠原子、钾原子、铷原子、铯原子、钫原子等中的一种。

光源系统42用于发射探测激光，且该探测激光具有两个频率成分，并沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室41中。且本实施例中的光源系统42进一步包括：第一激光器421以及第二激光器422。

其中，第一激光器421和第二激光器422分别用于产生具有两不同频率的探测激光，且该探测激光的频率可以分别为ω₁和ω₂。该具有两不同频率的探测激光沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室31中。本实施例中，探测激光分别沿两个正交设置的传输路径入射到原子气室41。该两个且正交设置的传输路径上光学元件以及光学元件具体位置的设置详见本申请第一实施方式的具体描述，此处不再赘述。

探测系统43，用于分别探测沿各传输路径传输的探测激光经原子气体41透射后的光强度。

控制系统44进一步可以包括控制电路(图未示)，用于调节探测激光的两个频率成分的频率，并根据探测系统所检测的光强度确定由于所述两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰，控制系统44进一步根据目标相干布居囚禁峰所对应的两个频率成分的频率计算待测磁场的大小。

可选地，上述原子气室41、探测系统43以及控制系统44的具体原理和控制过程详见上述第一及第二实施方式的具体描述，此处不再赘述。

上述实施方式中，通过设置至少两对正交的相干布居囚禁结构以及改变探测激光的偏振方向，并测量相干布居囚禁透射峰的强度，可以同时实现弱磁场的磁场强度以及磁场方向的测量，解决了原子磁力仪矢量测量的问题，使原子磁力仪在磁异常时更加灵活，以及对磁场扰动的矿物、军事设施、地下掩体等探测场景的应用更加灵敏与方便。

请参阅图11，图11为本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量方法第一实施方式的流程示意图。请参阅图11，本实施例中的磁场测量方法包括如下步骤：

S1，将原子气室置于待测磁场中，原子气室用于容纳原子气体，原子气体能够在所述待测磁场的作用下发生能级分裂。

步骤S1中，原子气室中容纳有可与磁场相互作用的原子气体，其中，原子气体具体可以为锂原子、钠原子、钾原子、铷原子、铯原子、钫原子等中的一种。本实施例中，本实施例中原子气室11中容纳^Rb87原子气体，^Rb87原子在待测磁场的作用下发生Zeeman分裂，且^Rb87原子具体能级结构以及其能级的基态和激发态之间的跃迁及能级间的跃迁定则的详细描述，请参见上述测量系统第一至第三实施方式的具体描述，此处不再赘述。

S2，将具有两个频率成分的探测激光沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室。

步骤S2中，控制系统通过对激光管的温度和电流进行控制，使得激光管发出的探测激光频率为ω₀，使其与原子气室中的^Rb87原子的D1线发生能级的跃迁共振，且其跃迁波长为795nm。进一步，微波源产生频率为ω_d的微波，对激光管产生的探测激光进行调制，以产生频率分别为ω₁＝ω₀-ω_d和ω₂＝ω₀+ω_d的两个频率成分的探测激光，其中控制系统通过控制微波源来调节微波的频率ω_d，进而使得两个频率成分的探测激光的功率最强。

进一步，频率分别为ω₁和ω₂的探测激光分别沿至少两个正交设置的传输路径入射到原子气室中，并和原子气室中的Rb87原子气体分裂能级之间发生的能级的相干耦合，具体可以是能级间的Λ型耦合，当然也可以是其他结构的耦合，此处不做进一步限定。当然，本实施例中，探测激光可以是沿着两个正交设置的传输路径入射到原子气室中，也可以是沿着三个正交设置的传输路径入射到原子气室中，且具体路径的描述可以详见本申请测量系统第一实施方式和第二实施方式的具体描述，此处不再赘述。

可选地，结合本申请图5，当频率分别为ω₁和ω₂的探测激光E1和E2与三能级原子构成Λ型耦合时，此时微调微波源的频率对探测激光的强度进行调节，使得原子处于能级|1＞和能级|2＞的相干叠加态，此时测量激光E1透射谱，那么在满足双光子共振的频率点出现很窄的透射峰，即为相干布局囚禁峰。

S3，分别探测沿各传输路径传输的探测激光经原子气体透射后的光强度。

步骤S3中，探测系统分别探测沿各传输路径传输的探测激光经原子气体透射后的光强度，且每一传输路径上的透射光强度均由光电探测管进行探测，且光电探测管进一步将探测信号传输至控制系统，并由控制系统进行信号处理。

S4，调节探测激光的两个频率成分的频率，并根据所检测的光强度确定由于两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰。

请结合图7，步骤S4中的目标相干布居囚禁峰的具体确定方法可以结合本申请测量系统第一实施方式的具体描述，此处不再赘述。

在具体实施例中，可以选择最强相干布居囚禁峰以外的相干布居囚禁峰作为目标相干布居囚禁峰，即选择和σ⁺光和/或σ^-光相关的相干布居囚禁峰(图7中的峰2或者峰6)或与π光相关的相干布居囚禁峰(图7中的峰1、3、5、7)。

S5，根据目标相干布居囚禁峰所对应的两个频率成分的频率计算待测磁场的大小。

在选定好目标相干布局囚禁峰后，控制系统进一步根据目标相干布居囚禁峰所对应的两个频率成分的频率计算待测磁场的大小。且具体地计算方法，可以参见本申请测量系统第一实施方式的具体描述，此处不再赘述。

上述实施方法，通过设置至少两对正交的相干布居囚禁结构，并测量相干布居囚禁透射峰的强度，可以同时实现三个方向上的磁场强度的测量，使得原子磁力仪不存在探测死区。

请参阅图12，图12为本申请基于相干布居囚禁的矢量磁场测量方法第二实施方式的流程示意图。

S6，分别在沿各传输路径传输入射到原子气室之前对探测激光的偏振方向进行调节。

在测出了磁场的强度后，此时固定微波源的频率，再通过控制系统中进一步调整各传输路径上的光学元件，以对所述探测激光的偏振方向进行调节。其中，探测激光偏振方向的具体调节方法请参见本申请测量系统第一实施方式至第三实施方式的具体描述，此处不再赘述。

S7，记录沿各传输路径传输的探测激光所对应的目标相干布居囚禁峰的强度最大时的偏振方向。

步骤S7中，通过对探测激光的偏振方向的调节，可以得到各传输路径上探测激光所对应的目标相干布居囚禁峰的强度最大时的偏振方向，控制系统进一步记录偏振方向，且本实施例中，目标相干布居囚禁峰的强度最大时的偏振方向的计算和确定，详见本申请测量系统第一实施方式至第三实施方式的具体描述，此处不再赘述。

S8，根据记录的偏振方向确定待测磁场的方向。

步骤S8中，若目标相干布居囚禁峰为与σ⁺光和/或σ^-光相关的相干布居囚禁峰，则根据记录的偏振方向确定待测磁场的方向的步骤包括：分别计算经过沿各传输路径传输的探测激光的波矢量且垂直于记录的偏振方向的平面，并将计算得到的至少两个平面的相交线作为待测磁场的方向。

可选地，若目标相干布居囚禁峰为与π光相关的相干布居囚禁峰，根据记录的偏振方向确定待测磁场的方向的步骤包括：分别计算经过沿各传输路径传输的探测激光的波矢量且平行于记录的偏振方向的平面，并将计算得到的至少两个平面的相交线作为待测磁场的方向。

且此处方向的具体确定方法请详见本申请测量系统第一至第三实施方式的具体描述，此处不再赘述。

上述实施方式，通过设置至少两对正交的相干布居囚禁结构以及改变探测激光的偏振方向，并测量相干布居囚禁透射峰的强度，可以同时实现弱磁场的磁场强度以及磁场方向的测量，解决了原子磁力仪矢量测量的问题，使原子磁力仪在磁异常时更加灵活，以及对磁场扰动的矿物、军事设施、地下掩体等探测场景的应用更加灵敏与方便。

综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统及方法，通过设置至少两对正交的相干布居囚禁结构以及改变探测激光的偏振方向，并测量相干布居囚禁透射峰的强度，可以同时实现弱磁场的磁场强度以及磁场方向的测量，解决了原子磁力仪矢量测量的问题，使原子磁力仪在磁异常时更加灵活，以及对磁场扰动的矿物、军事设施、地下掩体等探测场景的应用更加灵敏与方便。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量系统，其特征在于，所述系统包括：

原子气室，所述原子气室置于待测磁场中，并用于容纳原子气体，所述原子气体能够在所述待测磁场的作用下发生能级分裂；

光源系统，用于发射探测激光，所述探测激光具有两个频率成分，并沿至少两个正交设置的传输路径入射到所述原子气室；

探测系统，用于分别探测沿各所述传输路径传输的所述探测激光经所述原子气体透射后的光强度；

控制系统，用于调节所述探测激光的所述两个频率成分的频率，并根据所述探测系统所检测的光强度确定由于所述两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征所述待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰，所述控制系统进一步根据所述目标相干布居囚禁峰所对应的所述两个频率成分的频率计算所述待测磁场的大小；

其中所述探测激光为线偏振光，所述光源系统进一步包括至少两个偏振调整元件，所述至少两个偏振调整元件用于分别在沿各所述传输路径传输入射到所述原子气室之前对所述探测激光的偏振方向进行调节，所述控制系统记录沿各所述传输路径传输的所述探测激光所对应的所述目标相干布居囚禁峰的强度最大时的偏振方向，并根据记录的偏振方向确定所述待测磁场的方向。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标相干布居囚禁峰为与σ⁺光和/或σ^-光相关的相干布居囚禁峰，所述控制系统分别计算经过沿各所述传输路径传输的所述探测激光的波矢量且垂直于所述记录的偏振方向的平面，并将计算得到的至少两个平面的相交线作为所述待测磁场的方向。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标相干布居囚禁峰为与π光相关的相干布居囚禁峰，所述控制系统分别计算经过沿各所述传输路径传输的所述探测激光的波矢量且平行于所述记录的偏振方向的平面，并将计算得到的至少两个平面的相交线作为所述待测磁场的方向。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源系统包括：

激光管，用于产生频率为ω₀的探测激光；

微波源，用于产生频率为ω_d的微波；

其中，所述微波对所述探测激光进行调制，以产生频率分别为ω₁＝ω₀-ω_d和ω₂＝ω₀+ω_d的所述两个频率成分，其中所述控制系统通过控制所述微波源来调节所述微波的频率ω_d，进而调节所述两个频率成分的频率。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述目标相干布居囚禁峰为最强相干布居囚禁峰以外的相干布居囚禁峰，所述控制系统通过以下公式计算所述待测磁场的大小：

其中，B为所述待测磁场的大小，Δω＝|ω_d0-ω_d1|，ω_d0为最强相干布居囚禁峰所对应的所述微波的频率，ω_d1为目标相干布居囚禁峰所对应的所述微波的频率，γ为旋磁比，Δn为随所述微波的频率的变化以整数1为步长对所述相干布居囚禁峰进行顺序编号时，所述最强相干布居囚禁峰与所述目标相干布居囚禁峰的编号差的绝对值。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源系统进一步包括两组分光元件，所述两组分光元件用于所述探测激光进行分光，以使得分光后的所述探测激光沿三个正交设置的传输路径入射到所述原子气室，且具有相同的光强度。

7.一种基于相干布居囚禁的矢量磁场测量方法，其特征在于，所述方法包括：

将原子气室置于待测磁场中，所述原子气室用于容纳原子气体，所述原子气体能够在所述待测磁场的作用下发生能级分裂；

将具有两个频率成分的探测激光沿至少两个正交设置的传输路径入射到所述原子气室；

分别探测沿各所述传输路径传输的所述探测激光经所述原子气体透射后的光强度；

调节所述探测激光的所述两个频率成分的频率，并根据所检测的光强度确定由于所述两个频率成分与分裂能级之间的相干耦合所产生的能够表征所述待测磁场的大小的目标相干布居囚禁峰；

根据所述目标相干布居囚禁峰所对应的所述两个频率成分的频率计算所述待测磁场的大小；

分别在沿各所述传输路径传输入射到所述原子气室之前对所述探测激光的偏振方向进行调节；

记录沿各所述传输路径传输的所述探测激光所对应的所述目标相干布居囚禁峰的强度最大时的偏振方向；

根据记录的偏振方向确定所述待测磁场的方向。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述目标相干布居囚禁峰为与σ⁺光和/或σ^-光相关的相干布居囚禁峰，所述根据记录的偏振方向确定所述待测磁场的方向的步骤包括：分别计算经过沿各所述传输路径传输的所述探测激光的波矢量且垂直于所述记录的偏振方向的平面，并将计算得到的至少两个平面的相交线作为所述待测磁场的方向；或者

所述目标相干布居囚禁峰为与π光相关的相干布居囚禁峰，所述根据记录的偏振方向确定所述待测磁场的方向的步骤包括：分别计算经过沿各所述传输路径传输的所述探测激光的波矢量且平行于所述记录的偏振方向的平面，并将计算得到的至少两个平面的相交线作为所述待测磁场的方向。

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