CN108535668B - 一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法，旨在降低或者消除磁屏蔽罩内部剩余磁场，使得激光原子磁力计能够高灵敏度地测量弱磁。本发明针对实际操作中三轴线圈的小角度非正交性和激光传播方向与磁场主轴未完全重合、影响激光原子磁力计灵敏度这一问题而提出，通过多次循环调节三轴线圈内部电流，观测和拟合激光原子磁力计信号的方式，最终达到降低或者消除磁屏蔽罩内部碱金属原子蒸气泡处剩余磁场强度的目的。

Description

一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法
技术领域
本发明涉及一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法，属于弱磁探测和均匀磁场线圈技术领域。
背景技术
激光原子磁力计的一种是基于碱金属原子和激光间一种被称为非线性磁光作用(Nonlinear magneto-optical effects，NMOE)的量子力学现象，由此获得的信号具有非常窄的线宽，并且其在一定磁场范围内激光的偏振面随磁场大小而线型偏转的特性，因此具有极高的测磁灵敏度，可广泛用于多学科和领域的磁现象研究。到目前为止，普林斯顿大学的Romalis研究组已经使用原子磁力计成功实现0.16fT/Hz1/2的磁场测量灵敏度[Appl.Phys.Lett.97(15),151110(2010).]。
激光原子磁力计可以使用两束激光，一束圆偏振光作为泵浦光，一束线偏振光作为探测光。也可以仅使用一束线偏振光，同时用于泵浦和探测。单光束激光原子磁力计是以超精细原子能级的AC stark效应为基础，工作在近零磁场环境下的弱磁测量装置。其中，为维持弱磁环境，通常需要使用高磁导率材料制作的磁屏蔽罩来减少外界磁场的影响，营造弱磁环境。由于磁屏蔽罩自身内部存在Johnson电流，磁屏蔽罩屏蔽系数不足等因素，在原子蒸气泡处会有一定的剩余磁场，该剩余磁场会影响激光原子磁力计的测磁灵敏度。
Seltzer等人在“Unshielded three-axis vector operation of aspin-exchange-relaxation-free atomic magnetometer”[Appl.Phys.Lett.85(20),4804(2004).]中提出一种通过磁场调制的方式对磁场进行补偿，使得中心区域达到近零场。Belfi等人在“Stray magnetic field compensation with a scalar atomicmagnetometer”[REV.SCI.INSTRUM.81(6),065103(2010).]中提出一种使用利用双通道标量磁力计的方式消除杂散磁场。以上方法均采用三轴磁场线圈来抵消剩余磁场，但是，i)三轴磁场线圈衬体在加工和线圈绕制过程中可能存在一定的非正交性，ii)在线圈安装过程中，线圈的主轴方向也会与激光传播方向存在一定夹角。这两种非正交性均会直接影响磁场补偿效果。
为解决上述问题，本发明提出一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法。本方法仅依赖于激光原子磁力计本身输出信号，无需额外标定线圈的电流磁场系数，并适用于小角度非正交线圈。
发明内容
发明目的：为了减少激光原子磁力计磁屏蔽罩内碱金属原子蒸气泡处剩余磁场，并克服三轴线圈衬体非正交性、以及激光与磁场线圈主轴未完全重合对磁场补偿的影响，本发明提供了一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法，有效地减小或者消除剩余磁场的影响，为提高激光原子磁力计的灵敏度提供了保障。
技术方案：为了实现上述目的，本发明提出一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法，包括以下步骤：
通电开启激光原子磁力计，由通过无磁电加热炉将放置于磁屏蔽罩内部中心位置的碱金属蒸气泡加热至305～315K；
优选地，碱金属原子蒸气泡加热至310K。
一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法，包括以下步骤：
步骤1、将X方向磁场线圈电流初始值、Y方向磁场线圈电流初始值和Z方向磁场线圈电流初始值均设置为0A；
步骤2、在三轴线圈的X方向磁场线圈中以X方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的X方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得X方向扫描锁相放大器输出信号，记录X方向扫描锁相放大器输出信号和X方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(1)对X方向扫描电流和X方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到X方向磁场线圈电流设定值，
其中，fx(Ix)为X方向扫描锁相放大器输出信号，Ix为X方向扫描电流，a1、b1、c1均为拟合系数，Iinitialx为X方向磁场线圈电流初始值，Isetx为补偿X方向剩余磁场所需施加的X方向磁场线圈电流设定值，
步骤3、在三轴线圈的Y方向磁场线圈中以Y方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的Y方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得Y方向扫描锁相放大器输出信号，记录Y方向扫描锁相放大器输出信号和Y方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(2)对Y方向扫描电流和Y方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到Y方向磁场线圈电流设定值，将Y方向磁场线圈电流设定为Y方向磁场线圈电流设定值，
其中，fy(Iy)为Y方向扫描锁相放大器输出信号，Iy为Y方向扫描电流，a2、b2、c2均为拟合系数，Iinitialy为Y方向磁场线圈电流初始值，Isety为补偿Y方向剩余磁场所需施加的Y方向磁场线圈电流设定值，
步骤4、在三轴线圈的Z方向磁场线圈中以Z方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的Z方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得Z方向扫描锁相放大器输出信号，记录Z方向扫描锁相放大器输出信号和Z方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(3)对Z方向扫描电流和Z方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到Z方向磁场线圈电流设定值，将Z方向磁场线圈电流设定为Z方向磁场线圈电流设定值，
其中，fz(Iz)为Z方向扫描锁相放大器输出信号，Iz为Z方向扫描电流，a3、b3、c3均为拟合系数，Iinitialz为Z方向磁场线圈电流初始值，Isetz为补偿Z方向剩余磁场所需施加的Z方向磁场线圈电流设定值，
步骤5、若X方向磁场线圈电流设定值与X方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，且Y方向磁场线圈电流设定值与Y方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，且Z方向磁场线圈电流设定值与Z方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，则三个方向均匀场成功；
否则，将X方向磁场线圈电流初始值设定为X方向磁场线圈电流设定值，将Y方向磁场线圈电流初始值设定为Y方向磁场线圈电流设定值，将Z方向磁场线圈电流初始值设定为Z方向磁场线圈电流设定值，返回步骤2。
有益效果：本发明提供的一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法可以降低或者消除原子蒸气泡处的剩余磁场，此方法既适用于三轴线圈存在小角度非正交性的情况，也适用于激光与磁场主轴存在小角度夹角的情况。
附图说明
图1为匀场线圈电流设定操作流程图。
图2为X轴剩余磁场与原磁场的比值和操作次数的曲线图。
图3为Y轴剩余磁场与原磁场的比值和操作次数的曲线图。
图4为Z轴剩余磁场与原磁场的比值和操作次数的曲线图。
图5为单光束激光原子磁力计的结构示意图，其中：1-激光器；2-声光调制器；3-起偏器；4-磁屏蔽罩；5-三轴线圈；6-无磁加热炉；7-碱金属原子蒸气泡；8-偏振分束棱镜；9-差分光电探头；10-锁相放大器；11-计算机；12-电流源。
具体实施方式
下面结合具体实施例，以及图1—图5，进一步阐述本发明。
本实施例采用碱金属原子蒸气泡7为铯原子蒸气泡，图5为单光束激光原子磁力计的结构示意图，铯原子蒸气泡位于磁屏蔽罩4内部中心处。激光器1发射的894nm激光束沿X轴传播，并经声光调制器2进行幅度调制，调制频率由锁相放大器10给出，调制后的894nm激光经过起偏器3变为线偏振光。894nm激光穿过放置于磁屏蔽罩内部中心位置的铯原子蒸气泡后的激光经偏振分束棱镜8正交分解为两束光，通过差分光电探测器9检测激光偏振面改变大小获得激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器10，以声光调制器2的调制频率为参考频率，并由锁相放大器10进行幅度解调，经锁相放大器解调后获得锁相放大器输出信号(X方向扫描锁相放大器输出信号、Y方向扫描锁相放大器输出信号、Z方向扫描锁相放大器输出信号)，锁相放大器输出信号由数据采集卡采集并传入计算机11进行计算并控制电流源12为三轴线圈5提供的电流值大小，改变三轴线圈5产生的磁场。
三轴线圈5抵消剩余磁场的过程可用以下模型描述：
三轴线圈5中的X方向、Y方向和Z方向扫描电流分别为Ix，Iy，Iz，考虑到线圈之间产生的磁场在另外两个方向上都有分量，铯原子蒸气泡所在位置的场可用矩阵方程表示为
Br＝AI-B0 公式(4)
其中A表示线圈产生磁场大小的系数，矩阵中对角元表示磁场线圈产生的磁场在以894nm激光束传播方向为X轴建立的坐标系主轴上的投影，非对角元项为三轴线圈5非正交性和894nm激光束与磁场主轴未重合导致的非主轴磁场方向的投影，Br为经三轴线圈5补偿后的剩余磁场，B0为初始剩磁，I为三轴磁场线圈5中的电流。
展开公式(4)即可写为
实际过程中，A和B0均为未知，仅能知道所加电流的大小，但线圈产生磁场与线圈中电流大小成正比。
公式(5)中Brx、Bry、Brz分别为X方向磁场线圈、Y方向磁场线圈、Z方向磁场线圈补偿后的剩余磁场；Axx、Axy、Axz分别为X方向磁场线圈、Y方向磁场线圈、Z方向磁场线圈产生的磁场在激光方向的投影；Ayx、Ayy、Ayz分别为X方向磁场线圈、Y方向磁场线圈、Z方向磁场线圈产生的磁场在以激光束传播方向为X轴建立的坐标系Y轴上的投影；Azx、Azy、Azz分别为X方向磁场线圈、Y方向磁场线圈、Z方向磁场线圈产生的磁场在以激光束传播方向为X轴建立的坐标系Z轴上的投影；B0x、B0y、B0z分别为X方向初始剩磁、Y方向初始剩磁、Z方向初始剩磁。
对于单光束激光铯原子磁力计来说，在X方向上施加扫描电流，锁相放大器10输出信号是一个洛伦兹吸收线型，在Y与Z方向上施加扫描电流，锁相放大器10输出信号为洛伦兹吸收线型。两种线型都存在一个中心点，分别是色散信号的中心对称点和吸收信号的信号顶点，此时该方向上的剩余磁场最小。
激光铯原子磁力计磁屏蔽罩4内部剩磁消除方法步骤如下：
通电开启激光铯原子磁力计，由通过无磁加热炉6将放置于磁屏蔽罩内部中心位置的碱金属铯蒸气泡加热至305～315K；
步骤1、将三轴线圈5的电流初始值设置为0A；
步骤2、在三轴线圈的X方向磁场线圈中以X方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的X方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得X方向扫描锁相放大器输出信号，记录X方向扫描锁相放大器输出信号和X方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(1)对X方向扫描电流和X方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到X方向磁场线圈电流设定值。
其中fx(Ix)为X方向扫描锁相放大器输出信号，Ix为X方向扫描电流，a1、b1、c1均为拟合系数，Iinitialx为X方向磁场线圈电流初始值，Isetx为补偿X方向剩余磁场所需施加的X方向磁场线圈电流设定值。
步骤3、在三轴线圈的Y方向磁场线圈中以Y方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的Y方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得Y方向扫描锁相放大器输出信号，记录Y方向扫描锁相放大器输出信号和Y方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(2)对Y方向扫描电流和Y方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到Y方向磁场线圈电流设定值，将Y方向磁场线圈电流设定为Y方向磁场线圈电流设定值。
其中fy(Iy)为Y方向扫描锁相放大器输出信号，Iy为Y方向扫描电流，a2、b2、c2均为拟合系数，Iinitialy为Y方向磁场线圈电流初始值，Isety为补偿Y方向剩余磁场所需施加的Y方向磁场线圈电流设定值。
步骤4、在三轴线圈的Z方向磁场线圈中以Z方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的Z方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得Z方向扫描锁相放大器输出信号，记录Z方向扫描锁相放大器输出信号和Z方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(3)对Z方向扫描电流和Z方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到Z方向磁场线圈电流设定值，将Z方向磁场线圈电流设定为Z方向磁场线圈电流设定值。
其中fz(Iz)为Z方向扫描锁相放大器输出信号，Iz为Z方向扫描电流，a3、b3、c3均为拟合系数，Iinitialz为Z方向磁场线圈电流初始值，Isetz为补偿Z方向剩余磁场所需施加的Z方向磁场线圈电流设定值。
步骤5、若X方向磁场线圈电流设定值与X方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，且Y方向磁场线圈电流设定值与Y方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，且Z方向磁场线圈电流设定值与Z方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，则表明三个方向均匀场成功；
否则，将X方向磁场线圈电流初始值设定为X方向磁场线圈电流设定值，将Y方向磁场线圈电流初始值设定为Y方向磁场线圈电流设定值，将Z方向磁场线圈电流初始值设定为Z方向磁场线圈电流设定值，返回步骤2。
在三轴线圈5非正交角度小于5°时的匀场过程和结果如图3～图5所示，横轴为步骤2～5的重复次数，纵轴分别为X、Y、Z方向剩余磁场与原磁场的比值，说明经过多次操作，磁屏蔽罩4内部中心位置的碱金属铯蒸气泡处剩余磁场强度已经被抵消低至0.1nT以下。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种补偿激光原子磁力计磁屏蔽罩内部剩余磁场的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将X方向磁场线圈电流初始值、Y方向磁场线圈电流初始值和Z方向磁场线圈电流初始值均设置为0A，其中，X方向为激光束传播方向，
步骤2、在三轴线圈的X方向磁场线圈中以X方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的X方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得X方向扫描锁相放大器输出信号，记录X方向扫描锁相放大器输出信号和X方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(1)对X方向扫描电流和X方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到X方向磁场线圈电流设定值，
其中，fx(Ix)为X方向扫描锁相放大器输出信号，Ix为X方向扫描电流，a1、b1、c1均为拟合系数，Iinitialx为X方向磁场线圈电流初始值，Isetx为补偿X方向剩余磁场所需施加的X方向磁场线圈电流设定值，
步骤3、在三轴线圈的Y方向磁场线圈中以Y方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的Y方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得Y方向扫描锁相放大器输出信号，记录Y方向扫描锁相放大器输出信号和Y方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(2)对Y方向扫描电流和Y方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到Y方向磁场线圈电流设定值，
其中，fy(Iy)为Y方向扫描锁相放大器输出信号，Iy为Y方向扫描电流，a2、b2、c2均为拟合系数，Iinitialy为Y方向磁场线圈电流初始值，Isety为补偿Y方向剩余磁场所需施加的Y方向磁场线圈电流设定值，
步骤4、在三轴线圈的Z方向磁场线圈中以Z方向磁场线圈电流初始值为中心施加对称的Z方向扫描电流，通过差分光电探测器检测激光偏振面改变大小信号，并将激光偏振面改变大小信号输出至锁相放大器，锁相放大器以声光调制器的调制频率为参考频率，并由锁相放大器对激光偏振面改变大小信号进行幅度解调获得Z方向扫描锁相放大器输出信号，记录Z方向扫描锁相放大器输出信号和Z方向磁场线圈扫描电流，再根据公式(3)对Z方向扫描电流和Z方向扫描锁相放大器输出信号进行拟合，由拟合的曲线方程得到Z方向磁场线圈电流设定值，
其中，fz(Iz)为Z方向扫描锁相放大器输出信号，Iz为Z方向扫描电流，a3、b3、c3均为拟合系数，Iinitialz为Z方向磁场线圈电流初始值，Isetz为补偿Z方向剩余磁场所需施加的Z方向磁场线圈电流设定值，
步骤5、若X方向磁场线圈电流设定值与X方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，且Y方向磁场线圈电流设定值与Y方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，且Z方向磁场线圈电流设定值与Z方向磁场线圈电流初始值的差值小于设定阈值，则三个方向均匀场成功；
否则，将X方向磁场线圈电流初始值设定为X方向磁场线圈电流设定值，将Y方向磁场线圈电流初始值设定为Y方向磁场线圈电流设定值，将Z方向磁场线圈电流初始值设定为Z方向磁场线圈电流设定值，返回步骤2。
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