CN110261796A - 一种基于零场共振的serf原子磁强计及磁补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于零场共振的SERF(Spin‑Exchange Relaxation‑Free)原子磁强计及磁补偿方法。通过在SERF原子磁强计的敏感轴上施加变化磁场获得零场共振信号，之后利用离散微分的方法获得零场共振信号的微分信号，然后改变垂直于敏感轴的两个方向的磁场大小，当总磁场为零时该微分信号的峰值有最大值，得到垂直于敏感轴两方向的磁场补偿值，最后调节敏感轴方向的磁场使SERF原子磁强计的输出为零，得到敏感轴方向的磁场补偿值。与现有技术相比，本发明是一种非调制的磁补偿方法，不需使用额外的锁相放大器，适用于小型化和集成化的SERF原子磁强计。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于零场共振的SERF原子磁强计及磁补偿方法，属于原子磁强计的磁场控制技术领域。
背景技术
原子磁强计实现SERF状态的必要条件包括环境磁场低于10nT，在此条件下，环境磁场越小，由碱金属原子自旋交换碰撞引起的横向弛豫率越小，SERF原子磁强计的灵敏度越高，因此需要对环境剩磁进行精确的磁补偿。
目前SERF原子磁强计常用的磁补偿方法主要是调制法，即在SERF原子磁强计的不同方向上施加不同频率或不同相位的调制，利用多个锁相放大器通道分别得到不同方向的磁场大小进而进行补偿。这种方法存在以下缺点：第一，调制方法需要使用额外的锁相放大器，增加了系统的成本和体积；第二，调制方法对于三个方向的磁场补偿往往有三个不同的目标函数和收敛值，需要迭代多次才能得到最终的磁场补偿值，这增加了补偿过程的复杂性，不利于实现自动化补偿和磁场闭环控制，而且迭代的过程容易在不同方向的磁场补偿中引入串扰，降低补偿精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提出一种基于零场共振的SERF原子磁强计及磁补偿方法。通过在SERF原子磁强计的敏感轴上施加变化磁场获得零场共振信号，之后利用离散微分的方法获得零场共振信号的微分信号，然后改变垂直于敏感轴的两个方向的磁场大小，当总磁场为零时该微分信号的峰值有最大值，得到垂直于敏感轴两方向的磁场补偿值，最后调节敏感轴方向的磁场使SERF原子磁强计的输出为零，得到敏感轴方向的磁场补偿值。
本发明的技术解决方案为：
一种基于零场共振的SERF原子磁强计，其特征在于：包括三轴磁补偿线圈4、无磁电加热装置5、气室6组成的敏感表头系统，检测激光器7、起偏器一8、1/2波片13、偏振分光棱镜14、平衡探测器15、反射镜17组成的检测光学系统，抽运激光器9、扩束器10、起偏器二11、1/4波片12组成的抽运光学系统；坡莫合金磁屏蔽桶1、铁氧体磁屏蔽桶2、真空腔3组成的弱磁和真空的工作环境维持系统，以及数据采集系统16、信号发生器18组成的电子测控系统；所述坡莫合金磁屏蔽桶1、铁氧体磁屏蔽桶2、真空腔3、三轴磁补偿线圈4、无磁电加热装置5、气室6由外到内依次设置；所述检测激光器7发出的检测激光经起偏器一8从水平方向射入气室6后，经1/2波片13、偏振分光棱镜14分光，一束透射光直接进入平衡探测器15，另一束反射光经反射镜17进入平衡探测器15，所述抽运激光器9发出的抽运激光从竖直方向经扩束器10、起偏器二11、1/4波片12射入气室6，所述数据采集系统16、信号发生器18分别连接平衡探测器15和三轴磁补偿线圈4；通过维持弱磁环境，加热气室并对原子进行光抽运使气室中的原子工作于SERF态，并通过信号发生器18对三轴磁补偿线圈4在垂直于抽运激光和检测激光的敏感轴方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号。
一种基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(一)：对SERF原子磁强计的工作环境的外界磁场进行磁屏蔽，加热气室并对原子进行光抽运，使碱金属原子达到SERF状态；
步骤(二)：在SERF原子磁强计的敏感轴方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号；
步骤(三)：依次改变沿着抽运激光和检测激光的两个方向的磁场补偿值大小，当SERF原子磁强计的零场共振信号的微分信号峰值达到最大时，SERF原子磁强计敏感到的总磁场为零，此时得到沿着抽运激光和检测激光的两个方向的磁场补偿值；
步骤(四)：调节SERF原子磁强计敏感轴方向的磁场补偿值的大小，当SERF原子磁强计的输出为零时，得到敏感轴方向的磁场补偿值。
其中，使碱金属原子达到SERF状态的步骤如下：外界环境磁场在坡莫合金磁屏蔽桶1和铁氧体磁屏蔽桶2的屏蔽下降到5nT以内，碱金属气室6通过无磁电加热装置5加热到170℃到220℃之间，通过真空腔3隔热，保证磁屏蔽材料不被加热，开启抽运激光器9，扩束器10扩大抽运光光束直径，抽运光经起偏器二11得到线偏振光，线偏振光经过1/4波片12得到圆偏振抽运光，极化碱金属原子并使其工作在SERF状态。
其中，为了获得SERF原子磁强计零场共振信号，通过信号发生器18对三轴磁补偿线圈4在SERF原子磁强计的敏感轴y方向上施加一个大小随时间变化的磁场，其变化范围从-10nT到+10nT，保证碱金属原子处于SERF状态；变化频率不超过10Hz，以得到SERF原子磁强计的稳态响应并获得零场共振信号。开启检测激光器7，检测激光经起偏器一8获得线偏振光，线偏振光经过气室6后通过1/2波片13和偏振分光棱镜14后分成了透射光和反射光，反射光经过反射镜17后，和透射光一起进入平衡探测器15，平衡探测器输出的SERF原子磁强计的零场共振信号通过信号采集系统16进行采集。
其中，为了获得SERF原子磁强计的零场共振信号的微分信号并得到微分信号峰值的最大值，使用二阶中心离散微分或四阶中心离散微分的方法，对采集到的SERF原子磁强计的零场共振信号进行实时计算，得到零场共振信号实时的微分信号。按照在补偿范围内平面上逐点扫描的方法依次改变沿着抽运激光和检测激光的两个方向的磁场补偿值大小，通过排序算法比较得到零场共振微分信号的最大值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)同调制式磁场补偿方法相比，本发明使用零场共振信号对SERF原子磁强计进行磁补偿，不需要使用额外的锁相放大器，更适用于小型化和集成化的SERF原子磁强计。
(2)使用零场共振信号的微分值峰值最大这一个条件，可以完成垂直于敏感轴的两方向磁场的补偿，因此避免了反复迭代过程可能会引入的串扰问题，提高了补偿精度和补偿效率。同时，基于零场共振信号的磁补偿算法判定条件更少，易于实现自动化和磁场闭环控制。因此，使用“微分信号最大”这一个判定值补偿了垂直于敏感轴的两个方向的磁场，减小了两方向磁场的串扰，提高了补偿精度和效率。
附图说明
图1为本发明的基于零场共振的SERF原子磁强计装置示意图；
图2为SERF原子磁强计的零场共振信号微分值在不同磁场大小下的仿真结果图；
图3是施加的磁场激励信号及得到的零场共振信号和零场共振微分信号的曲线图。
图4为本发明方法实施的实验结果图。
附图标记列示如下：1-坡莫合金磁屏蔽桶、2-铁氧体磁屏蔽桶、3-真空腔、4-三轴磁补偿线圈、5-无磁电加热装置、6-气室、7-检测激光器、8-起偏器一、9-抽运激光器、10-扩束器、11-起偏器二、12-1/4波片、13-1/2波片、14-偏振分光棱镜、15-平衡探测器、16-数据采集系统、17-反射镜、18-信号发生器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
图1为本发明的基于零场共振的SERF原子磁强计装置示意图。
一种基于零场共振的SERF原子磁强计，包括：三轴磁补偿线圈4、无磁电加热装置5、气室6组成的敏感表头系统，检测激光器7、起偏器一8、1/2波片13、偏振分光棱镜14、平衡探测器15、反射镜17组成的检测光学系统，抽运激光器9、扩束器10、起偏器二11、1/4波片12组成的抽运光学系统；坡莫合金磁屏蔽桶1、铁氧体磁屏蔽桶2、真空腔3组成的弱磁和真空的工作环境维持系统，以及数据采集系统16、信号发生器18组成的电子测控系统；坡莫合金磁屏蔽桶1、铁氧体磁屏蔽桶2、真空腔3、三轴磁补偿线圈4、无磁电加热装置5、气室6由外到内依次设置；检测激光器7发出的检测激光经起偏器一8从水平方向射入气室6后，经1/2波片13、偏振分光棱镜14分光，一束透射光直接进入平衡探测器15，另一束反射光经反射镜17进入平衡探测器15，抽运激光器9发出的抽运激光从竖直方向经扩束器10、起偏器二11、1/4波片12射入气室6，所述数据采集系统16、信号发生器18分别连接平衡探测器15和三轴磁补偿线圈4；通过维持弱磁环境，加热气室并对原子进行光抽运使气室中的原子工作于SERF态，并通过信号发生器18对三轴磁补偿线圈4在垂直于抽运激光和检测激光的敏感轴方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号。
本发明以一种钾原子SERF原子磁强计为例，钾原子SERF原子磁强计的气室6中包含一小滴钾金属，2个大气压的氮气作为缓冲气体，50torr的氦气作为淬灭气体，使用无磁电加热装置5将气室6加热到200℃，此时钾原子密度为1.5×1014/cm3。五层坡莫合金磁屏蔽桶1和一层铁氧体磁屏蔽桶2将地磁场衰减到5nT以内。抽运激光器9发出的抽运激光通过扩束器10后，光斑直径达到25mm，可以覆盖整个气室区域，抽运激光经过起偏器二11和1/4波片12之后，转变为圆偏振光进入气室6并极化气态钾原子。抽运激光的波长设置在770.105nm，光强为5mW/cm2。在上述高温，弱磁和光抽运的条件下，钾原子实现SERF状态。真空腔3起到隔热作用，保护磁屏蔽材料不被加热，保证磁屏蔽效果。SERF原子磁强计测量磁场的信息通过检测系统获取，检测激光的光斑直径为5mm，波长为769.855nm，光强为3mW/cm2。检测激光器7的发出检测激光经起偏器一8获得线偏振光，线偏振光经过气室6后通过1/2波片13和偏振分光棱镜14后分成了透射光和反射光，反射光经过反射镜17后，和透射光一起进入平衡探测器15，平衡探测器输出SERF原子磁强计的响应信号并通过数据采集系统16进行采集。在开始测试之前，调节1/2波片13使未抽运时的偏振分光棱镜14的透射光和反射光光强相等，即平衡探测器的输出信号为零。
一种基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，
包括如下步骤：
步骤(一)：对SERF原子磁强计的工作环境的外界磁场进行磁屏蔽，加热气室并对原子进行光抽运，使碱金属原子达到SERF状态；
步骤(二)：在SERF原子磁强计的敏感轴方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号；所述的敏感轴方向指垂直于抽运光和检测光的方向，抽运光方向如附图1中的z方向所示，检测光方向如附图1中的x方向所示，敏感轴方向如附图1中的y方向所示；
步骤(三)：改变垂直于敏感轴的两个方向的磁场补偿值大小，当SERF原子磁强计的零场共振信号的微分信号峰值达到最大时，SERF原子磁强计敏感到的总磁场为零，此时得到垂直于敏感轴的两个方向的磁场补偿值；
步骤(四)：调节SERF原子磁强计敏感轴方向的磁场补偿值的大小，当SERF原子磁强计的输出为零时，得到敏感轴方向的磁场补偿值。
基于零场共振信号进行磁场补偿的具体实施步骤如下：
步骤1)、使用无磁电加热装置5将气室6加热到200℃，此时钾原子密度为1.5×1014/cm3。五层坡莫合金磁屏蔽桶1和一层铁氧体磁屏蔽桶2将地磁场衰减到5nT以内。抽运激光9通过扩束器10后，光斑直径达到25mm，可以覆盖整个气室区域，抽运激光经过起偏器二11和1/4波片12之后，转变为圆偏振光进入气室6并极化气态钾原子。抽运激光的波长设置在770.105nm，光强为5mW/cm2。在上述高温，弱磁和光抽运的条件下，钾原子实现SERF状态。当钾原子处于SERF状态时，钾原子基态上的原子自旋在磁场中的动力学可以用Bloch方程来描述：
其中，S是电子自旋矢量，q(P)是核子减慢因子，γe是电子旋磁比，B是施加的磁场矢量，Rop是光抽运率，s是抽运光的光子极化率，Rrel是总弛豫率。
步骤2)、通过信号发生器18对三轴磁补偿线圈4在SERF原子磁强计的敏感轴方向(图1中的y轴)上施加一个频率为0.4Hz，峰峰值20nT，对称性为0％的锯齿波磁场，SERF原子磁强计在磁场激励下输出零场共振信号。利用Bloch方程的稳态解，当施加的外部磁场变化很缓慢，SERF原子磁强计的零场共振信号可以根据电子自旋在x轴方向的分量写成：
其中，是Sx电子自旋矢量在x轴方向的投影，S0是Sx的初始状态，是无量纲的磁场参数。
步骤3)、依次改变垂直于敏感轴的两个方向，即图1中x和z方向的磁场补偿值大小，使用二阶中心离散微分或四阶中心离散微分的方法，从SERF原子磁强计的零场共振信号中实时计算出微分信号，其表达式如下：
从上述公式可以看出，当SERF原子磁强计敏感到的总磁场为零时，零场共振信号的微分信号有最大值。依次改变x和z方向的磁场补偿值大小，直到零场共振信号的微分信号最大时，得到垂直于敏感轴的两方向的磁场补偿值。
步骤4)、在x和z方向的磁场补偿完成后，调节敏感轴方向磁场补偿值的大小，根据Bloch方程的稳态解，当SERF原子磁强计的输出为零时，得到敏感轴方向的磁场补偿值。
本发明的工作原理在于：
当碱金属原子处于SERF状态时，碱金属原子基态上的原子自旋在磁场中的动力学可以用Bloch方程来描述：
其中，S是电子自旋矢量，q(P)是核子减慢因子，γe是电子旋磁比，B是施加的磁场矢量，Rop是光抽运率，s是抽运光的光子极化率，Rrel是总弛豫率。
利用Bloch方程的稳态解，当施加的外部磁场变化频率小于10Hz时电子自旋在x轴方向的分量可以写成：
其中，是Sx电子自旋矢量在x轴方向的投影，S0是Sx的初始状态，是无量纲的磁场参数。通过在SERF原子磁强计的敏感轴方向施加变化磁场得到SERF原子磁强计的零场共振信号，零场共振信号对敏感轴方向变化磁场的微分信号如下：
从上述公式可以看出，当SERF原子磁强计敏感到的总磁场为零时，零场共振信号的微分信号有最大值。利用这一原理，当在SERF原子磁强计敏感轴方向施加变化磁场时，获得零场共振信号并求得其微分信号，改变垂直于敏感轴两方向的磁场，当微分信号峰值最大时，得到垂直于敏感轴两方向的磁场补偿值。然后根据Bloch方程的稳态解，改变敏感轴方向的磁场，当SERF原子磁强计输出为零时，得到敏感轴方向的磁场补偿值。理论仿真结果如图2所示。实验过程如图3所示。实验结果如图4所示。
图2为SERF原子磁强计的零场共振信号微分值在不同磁场大小下的仿真结果图；结果图中归一化的SERF原子磁强计零场共振信号的微分值大小用不同颜色来表示，颜色越深，响应越大，可以看出当三个方向磁场都为零时，零场共振信号的微分值有最大值；
图3为施加的磁场激励信号以及得到的零场共振信号和零场共振微分信号的曲线图。图3(1)是在SERF原子磁强计敏感轴方向施加的频率为0.4Hz，峰峰值20nT，对称性为0％的锯齿波磁场，图3(2)是SERF原子磁强计在锯齿波磁场激励下输出的零场共振信号，图3(3)是使用二阶中心离散微分方法得到的零场共振微分信号，当零场共振信号过零点时，零场共振微分信号有最大值。
图4为实验结果图。零场共振微分信号的峰值随着x方向和z方向磁场补偿值的大小变化而变化，当x方向和z方向的剩余磁场都补偿到零时，零场共振微分信号的峰值有最大值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种基于零场共振的SERF原子磁强计，其特征在于：包括三轴磁补偿线圈(4)、无磁电加热装置(5)、气室(6)组成的敏感表头系统，检测激光器(7)、起偏器一(8)、1/2波片(13)、偏振分光棱镜(14)、平衡探测器(15)、反射镜(17)组成的检测光学系统，抽运激光器(9)、扩束器(10)、起偏器二(11)、1/4波片(12)组成的抽运光学系统；坡莫合金磁屏蔽桶(1)、铁氧体磁屏蔽桶(2)、真空腔(3)组成的弱磁和真空的工作环境维持系统，以及数据采集系统(16)、信号发生器(18)组成的电子测控系统；所述坡莫合金磁屏蔽桶(1)、铁氧体磁屏蔽桶(2)、真空腔(3)、三轴磁补偿线圈(4)、无磁电加热装置(5)、气室(6)由外到内依次设置；所述检测激光器(7)发出的检测激光经起偏器一(8)从水平方向射入气室(6)后，经1/2波片(13)、偏振分光棱镜(14)分光，一束透射光直接进入平衡探测器(15)，另一束反射光经反射镜(17)进入平衡探测器(15)，所述抽运激光器(9)发出的抽运激光从竖直方向经扩束器(10)、起偏器二(11)、1/4波片(12)射入气室(6)，所述数据采集系统(16)、信号发生器(18)分别连接平衡探测器(15)和三轴磁补偿线圈(4)；通过维持弱磁环境，加热气室并对原子进行光抽运使气室中的原子工作于SERF态，并通过信号发生器(18)对三轴磁补偿线圈(4)在垂直于抽运激光和检测激光的敏感轴方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号。
2.一种基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(一)：对SERF原子磁强计的工作环境的外界磁场进行磁屏蔽，加热气室并对原子进行光抽运，使碱金属原子达到SERF状态；
步骤(二)：在SERF原子磁强计的敏感轴方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号；
步骤(三)：依次改变沿着抽运激光和检测激光的两个方向的磁场补偿值大小，当SERF原子磁强计的零场共振信号的微分信号峰值达到最大时，SERF原子磁强计敏感到的总磁场为零，此时得到沿着抽运激光和检测激光的两个方向的磁场补偿值；
步骤(四)：调节SERF原子磁强计敏感轴方向的磁场补偿值的大小，当SERF原子磁强计的输出为零时，得到敏感轴方向的磁场补偿值。
3.根据权利要求2所述的基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，所述步骤(一)中，使碱金属原子达到SERF状态的步骤如下：外界环境磁场在坡莫合金磁屏蔽桶(1)和铁氧体磁屏蔽桶(2)的屏蔽下降到5nT以内，碱金属气室(6)通过无磁电加热装置(5)加热到170℃到220℃之间，通过真空腔(3)隔热，保证磁屏蔽材料不被加热，开启抽运激光器(9)，扩束器(10)扩大抽运光光束直径，抽运光经起偏器二(11)得到线偏振光，线偏振光经过1/4波片(12)得到圆偏振抽运光，极化碱金属原子并使其工作在SERF状态。
4.根据权利要求3所述的基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，所述步骤(二)中获得SERF原子磁强计零场共振信号的步骤如下：
通过信号发生器(18)对三轴磁补偿线圈(4)在SERF原子磁强计的敏感轴y方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号；开启检测激光器(7)，检测激光经起偏器一(8)获得线偏振光，线偏振光经过气室(6)后通过1/2波片(13)和偏振分光棱镜(14)后分成了透射光和反射光，反射光经过反射镜(17)后，和透射光一起进入平衡探测器(15)，平衡探测器输出的SERF原子磁强计的零场共振信号通过信号采集系统(16)进行采集。
5.根据权利要求4所述的基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，所述步骤(二)中，为了获得SERF原子磁强计的零场共振信号，所施加的磁场变化范围从-10nT到+10nT，保证碱金属原子处于SERF状态；变化频率不超过10Hz，以得到SERF原子磁强计的稳态响应并获得零场共振信号。
6.根据权利要求5所述的基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，所述步骤(三)中，包括获得SERF原子磁强计的零场共振信号的微分信号的步骤：使用二阶中心离散微分或四阶中心离散微分的方法，对采集到的SERF原子磁强计的零场共振信号进行实时计算，即可得到零场共振信号实时的微分信号。
7.根据权利要求6所述的基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，所述步骤(三)中，使SERF原子磁强计的零场共振信号的微分信号峰值达到最大的方法是：按照在补偿范围内平面上逐点扫描的方法依次改变沿着抽运激光和检测激光的两个方向的磁场补偿值大小，通过排序算法比较得到零场共振微分信号的最大值。
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