CN110673069A - 一种三维矢量弱磁场探测装置和探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维矢量弱磁场探测装置和探测方法，包括充有碱金属蒸气的封闭气室，在该气室内原子被制备到SERF态；至少三条用于原子态极化或检测的光路，将光源处理后分别通到封闭气室三个相互垂直的轴向上，在气室的三个相互垂直的轴向上选择性施加抽运光和检测光；光旋角检测系统，用于探测光旋角，进而用气室实现矢量弱磁场的全三维信号探测；上位机，用于控制激光光源的每条光信号的通断，使封闭气室的三个相互垂直的轴向上为抽运光或检测光；上位机还用于读取光旋角检测系统的数据。本发明可以实现同一个空间位置三个轴向磁矢量的高灵敏度探测，不存在三个矢量信号的空间梯度，便于信号反演。且需要探测元件少，机械稳定性好、装置体积小。

Description

一种三维矢量弱磁场探测装置和探测方法

技术领域

本发明涉及磁场探测领域，具体涉及一种三维矢量弱磁场探测装置和探测方法。

背景技术

目前的磁场探测设备主要有机械式磁力仪、感应式磁力仪、霍尔磁力仪、磁通门磁力仪、光泵磁强计以及SQUID超导量子干涉仪。传统的基于磁共振方法的光泵磁力仪是一种标量探测技术；传统的机械和感应式磁力仪往往体积较大，灵敏度有限，在几十nT量级；基于现代半导体工艺的霍尔磁力仪虽然具有价格低廉、体积小的优势，但是磁场探测灵敏度也是在几十nT量级；目前灵敏度比较高的矢量磁探测技术有磁通门磁力仪和SQUID超导量子干涉仪；三维磁通门磁强计需要三个分立探头，而且探头需要较大的间隔避免相互干扰，因此无法同点探测；SQUID三轴磁强计使用的亦是三个分离的探头进行探测，同样不能做到同点探测。

发明内容

针对现有的三维探测装置和方法无法兼顾高灵敏度和同点三维磁矢量探测的技术问题，本发明提出一种三维矢量弱磁场探测装置和探测方法，具体技术方案如下：

一种三维矢量弱磁场探测装置，其特征在于，该装置包括：

充有碱金属蒸气的封闭气室，在该气室内原子被制备到SERF态；

至少三条用于原子态极化或检测的光路，将光源处理后分别通到所述的封闭气室的三个相互垂直的轴向上，在气室的三个相互垂直的轴向上选择性施加抽运光和检测光；

光旋角检测系统，用于探测光旋角，进而用所述的气室实现矢量弱磁场的全三维信号探测；

上位机，用于控制所述的激光光源的每条光信号的通断，从而使所述的封闭气室的三个相互垂直的轴向上为抽运光或检测光；所述的上位机还用于读取所述的光旋角检测系统的数据。

进一步地，所述的封闭气室的加热方式选自热气流加热、激光加热和电加热。

进一步地，通到所述的封闭气室的三个相互垂直的轴向上的光选自椭圆偏振光或圆偏振光或线偏振光。

进一步地，所述的用于原子态极化或检测的光路包括激光光源、光路开关、对光束线偏振过滤的起偏器，当通到所述的封闭气室的轴向上的光为椭圆偏振光或圆偏振光时，其光路上还包括将线偏振光转换为圆偏振光的λ/4玻片。

一种三维矢量弱磁场探测方法，其特征在于，该探测方式基于上述任意一项权利要求所述的探测装置来实现，该探测方法具体包括如下步骤：

S1：对所述的探测装置周围的环境进行磁屏蔽，然后加热封闭气室，将原子采用制备到SERF态；

S2：

(1)当需要进入气室的光为椭圆偏振光时，打开任意一条光路的光路开关，该条光路上的光线经过起偏器变成线偏振光，再经过λ/4玻片转换为椭圆偏振光，进入气室，光旋角检测系统检测气室出射光中的线偏振成分的偏转角，得到垂直光轴方向的磁场矢量的分量；

(2)当需要进入气室的光为圆偏振光时，打开圆偏振光的光路开关，该条光路上的光线经过起偏器变成线偏振光，再经过λ/4玻片转换为圆偏振光，进入气室；

(3)当需要进入气室的光为线偏振光时，打开线偏振光的光路开关，线偏振光经过起偏器进入气室，光旋角检测系统检测气室出射光中的线偏振光的偏转角；结合(2)的圆偏振光，得到垂直圆偏振光和线偏振光所在平面的磁场矢量的分量；

S3：在气室的三个轴向上分别重复S2中的(1)和/或(3)，解析出三个垂直方向上的磁场矢量的分量，从而得到全三维的磁场矢量。

本发明的有益效果如下：

本发明的三维矢量弱磁场探测装置和探测方法可以实现同一个空间位置三个轴向磁矢量的高灵敏度探测，不存在三个矢量信号的空间梯度，便于信号反演。且本发明的探测装置需要的探测元件的数量少，机械稳定性更好；对环境温度要求低，整体的装置体积小，可实现小型化。

附图说明

图1是利用碱金属原子进行磁场测量的基本原理图；

图2是本发明的三维矢量弱磁场探测装置其中一种实施方式的结构示意图；

图3是图2的三维矢量弱磁场探测装置的探测方法的流程图；

图4是本发明的三维矢量弱磁场探测装置其中一种实施方式的结构示意图；

图5是本发明的三维矢量弱磁场探测装置其中一种实施方式的结构示意图；

图中，第一激光器1a、第二激光器1b、第三激光器1c、第四激光器1d、第一光路开关2a、第二光路开关2b、第三光路开关2c、第四光路开关2d、第一起偏器3a、第二起偏器3b、第三起偏器3c、第四起偏器3d、第一λ/4玻片4a、第二λ/4玻片4b、第三λ/4玻片4c、合束器5、第一反射镜6a、第二反射镜6b、第三反射镜6c、第一光旋角检测系统7a、第二光旋角检测系统7b、第三光旋角检测系统7c、碱金属气室8、上位机9。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，首先对利用SERF态原子进行磁场探测的基本原理进行说明。根据选择性定则，利用共振的圆偏振光在光传输方向上引起原子自旋布局数差，可以抽运极化原子，如图1所示；与传输方向垂直的磁场会引起原子自旋态的进动演化，引起原子的进动，布局数的变化。检测光经过气室时，左右旋光的折射率与原子在光传输方向上的态布局数相关，最终的结果是检测光的偏振方向会因为外磁场的存在而产生旋转，通过测量线偏振光的光旋角变化可测得磁场的大小。

如图2所示，为本发明的三维矢量弱磁场探测装置的一个具体实施例，在该实施例中，三维矢量弱磁场探测装置包括一个充有铷蒸气的封闭气室8，其中的原子被制备到SERF态；开关可控的第一激光器1a、第二激光器1b、第三激光器1c、第四激光器1d，可对光信号通断进行控制的第一光开关2a、第二光开关2b、第三光开关2c、第四光开关2d，对光束进一步线偏振过滤的第一起偏器3a、第二起偏器3b、第三起偏器3c、第四起偏器3d，将线偏振光转换为圆偏振光的第一λ/4玻片4a、第二λ/4玻片4b，将两束光信号合并的合束器5，用于光路转折的第一反射镜6a、第二反射镜6b、第三反射镜6c，用于光旋角探测的第一光旋角检测系统7a、第二光旋角检测系统7b，用于开关控制和数据读取分析的上位机9。

图2中由上至下四个激光器对应四条光路，第一条光路中由第一激光器1a产生的光信号经过第一起偏器3a后完全线偏振，经过第一λ/4玻片4a调节为圆偏振光，再经过第一反射镜6a弯折进入气室8对原子进行极化；第四条光路由第四激光器1d产生的光信号经过第四起偏器3d后完全线偏振，经过第三反射镜6c弯折进入气室8探测气室8内原子布局；第二、三条光路类似第一、二条光路，圆偏振光和线偏振光合束后输送到碱金属气室8。第三条探测光路经过气室8后的光信号由第二光旋角探测系统7b检测，第四条探测光路经过气室后的光信号由第一光旋角探测系统7a检测。每条光信号的通断控制以及光信号的采集由上位机9统一控制。

基于图2中的装置的三维矢量弱磁场探测方法的流程如图3所示，该方法具体包括如下步骤：

S1：对所述的探测装置周围的环境进行磁屏蔽，然后加热封闭气室，将原子制备到SERF 态；

S2：只将Z方向施加圆偏振光的第一光路开关2a和施加线偏振光的第三光路开关2c 打开，即Z方向极化，X方向探测，测量Y方向的磁场大小B_Y；

S3：只将施加圆偏振光的第一光路开关2a和施加线偏振光的第四光路开关2d打开，即Z方向极化，Y方向探测，测得X方向的磁场大小B_X；

S4：只将施加圆偏振光的第二光路开关2b和施加线偏振光的第四光路开关2d打开,即 X方向极化，Y方向探测，测得Z方向的磁场大小B_Z；

S5：经过S2-S4即可得到三个轴向的全矢量磁场信息，不断重复S2-S4，即可连续获得磁场三个轴向的全矢量信息。

如图4所示，为本发明的三维矢量弱磁场探测装置的另一个具体实施例，在该实施例中，三维矢量弱磁场探测装置包括一个充有钾蒸气的封闭气室8，其中的原子被制备到SERF 态；开关可控的第一激光器1a、第二激光器1b、第三激光器1c，可对光信号通断进行控制的第一光开关2a、第二光开关2b、第三光开关2c，对光束进一步线偏振过滤的第一起偏器3a、第二起偏器3b、第三起偏器3c，将线偏振光转换为圆偏振光的第一λ/4玻片4a、第二λ/4玻片4b、第三λ/4玻片4c，用于光路转折的第一反射镜6a、第二反射镜6b，用于光旋角探测的第一光旋角检测系统7a、第二光旋角检测系统7b，第三光旋角检测系统7c，用于开关控制和数据读取分析的上位机9。

图4中由上至下三个激光器对应三条光路，第一条光路中由第一激光器1a产生的光信号经过第一起偏器3a后完全线偏振，经过第一λ/4玻片4a调节为椭圆偏振光，再经过第一反射镜6a弯折进入气室8，其中椭圆偏振光的圆偏振成分完成对原子的极化，线偏振成分实现对气体原子自旋态布局的探测；第二条光路由第二激光器1b产生的光信号经过第二起偏器3b后完全线偏振，经过第二λ/4玻片4b调节为椭圆偏振光进入气室8；第三条光路中由第三激光器1c产生的光信号经过第三起偏器3c后完全线偏振，经过第三λ/4玻片4c调节为椭圆偏振光，再经过第二反射镜6b弯折进入气室8；第一条光路探测光路经过气室8 后的光信号由第三光旋角探测系统7c检测，第二条探测光路经过气室8后的光信号由第二光旋角探测系统7b检测，第三条探测光路经过气室8后的光信号由第一光旋角探测系统7a 检测。每条光信号的通断控制以及光信号的采集由上位机9统一控制。

基于图4中的装置的三维矢量弱磁场探测方法的流程如下所述，该方法具体包括如下步骤：

S1：对所述的探测装置周围的环境进行磁屏蔽，然后加热封闭气室，将原子制备到SERF 态；

S2：只将第一光路开关2a打开，即Z方向极化探测，测量XY平面投影的磁场分量

S3：只将第二光路开关2b打开，即X方向极化探测，测量YZ平面投影的磁场分量

S4：只将第二光路开关2c打开，即Y方向极化探测，测量XZ平面投影的磁场分量

S5：经过S2-S4即可得到磁场在三个投影面的分量大小，可解析出磁场在三个轴向的全矢量磁场信息B_X、B_Y、B_Z，不断重复S2-S4，即可连续获得磁场三个轴向的全矢量信息。

如图5所示，为本发明的三维矢量弱磁场探测装置的另一个具体实施例，在该实施例中，三维矢量弱磁场探测装置包括一个充有铯蒸气的封闭气室8，其中的原子被制备到SERF 态；开关可控的第一激光器1a、第二激光器1b、第三激光器1c、第四激光器1d，可对光信号通断进行控制的第一光开关2a、第二光开关2b、第三光开关2c、第四光开关2d，对光束进一步线偏振过滤的第一起偏器3a、第二起偏器3b、第三起偏器3c、第四起偏器3d，将线偏振光转换为圆偏振光的第一λ/4玻片4a、第二λ/4玻片4b，第三λ/4玻片4c，用于光路转折的第一反射镜6a、第二反射镜6b、第三反射镜6c，用于光旋角探测的第一光旋角检测系统7a、第二光旋角检测系统7b、第三光旋角检测系统7c，用于开关控制和数据读取分析的上位机9。

图5中由上至下四个激光器对应四条光路，第一条光路中由第一激光器1a产生的光信号经过第一起偏器3a后完全线偏振，经过第一λ/4玻片4a调节为椭圆偏振光或者圆偏振光，再经过第一反射镜6a弯折进入气室8，其中椭圆偏振光的圆偏振成分完成对原子的极化，线偏振成分实现对气体原子自旋态布局的探测；第二条光路由第二激光器1b产生的光信号经过第二起偏器3b后完全线偏振，经过第二λ/4玻片4b调节为椭圆偏振光进入气室8；第三条光路中由第三激光器1c产生的光信号经过第三起偏器3c后完全线偏振，经过第三λ/4玻片4c调节为椭圆偏振光，第四条光路中由第四激光器1d产生的光信号经过第四起偏器3d后完全线偏振，再经过第三反射镜6c弯折，与第三条光路的椭圆偏振光合束后，再经过第二反射镜6b弯折进入气室8。

第一条探测光路经过气室8后的光信号由第三光旋角探测系统7c检测，第二条探测光路经过气室8后的光信号由第二光旋角探测系统7b检测，第四条光路探测光路经过气室8 后的光信号由第一光旋角探测系统7a检测。每条光信号的通断控制以及光信号的采集由上位机9统一控制。

基于图5中的装置的三维矢量弱磁场探测方法的流程如下：

S1：对所述的探测装置周围的环境进行磁屏蔽，然后加热封闭气室，将原子制备到SERF 态；

S2：只将第一光路开关2a打开，λ/4玻片将激光出射光调制为椭圆偏振光，即Z方向极化探测，测量XY平面投影的场分量

S3：只将第二光路开关2b打开，即X方向极化探测，测量YZ平面投影的磁场分量

S4：只将第一光路开关2a和第四光路开关2d打开，λ/4玻片4a将激光出射光调制为圆偏振光，即Z方向极化，Y方向探测，测量X平面投影的磁场分量B_X；

S5：经过S2-S4即可得到磁场在两个投影面的分量大小，以及轴向的磁场分量，可解析出磁场在三个轴向的全矢量磁场信息B_X、B_Y、B_Z，不断重复S2-S4，即可连续获得磁场三个轴向的全矢量信息。

其中，封闭气室8中的碱金属气体也可以为钾、铷、铯中任意一种或多种的混合。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维矢量弱磁场探测装置，其特征在于，该装置包括：

充有碱金属蒸气的封闭气室，在该气室内原子被制备到SERF态。

至少三条用于原子态极化或检测的光路，将光源处理后分别通到所述的封闭气室的三个相互垂直的轴向上，在气室的三个相互垂直的轴向上选择性施加抽运光和检测光。

光旋角检测系统，用于探测光旋角，进而用所述的气室实现矢量弱磁场的全三维信号探测。

上位机，用于控制所述的激光光源的每条光信号的通断，从而使所述的封闭气室的三个相互垂直的轴向上为抽运光或检测光；所述的上位机还用于读取所述的光旋角检测系统的数据。

2.根据权利要求1所述的三维矢量弱磁场探测装置，其特征在于，所述的封闭气室的加热方式选自热气流加热、激光加热和电加热。

3.根据权利要求1所述的三维矢量弱磁场探测装置，其特征在于，通到所述的封闭气室的三个相互垂直的轴向上的光选自椭圆偏振光或圆偏振光或线偏振光。

4.根据权利要求1所述的三维矢量弱磁场探测装置，其特征在于，所述的用于原子态极化或检测的光路包括激光光源、光路开关、对光束线偏振过滤的起偏器，当通到所述的封闭气室的轴向上的光为椭圆偏振光或圆偏振光时，其光路上还包括将线偏振光转换为圆偏振光的λ/4玻片。

5.一种三维矢量弱磁场探测方法，其特征在于，该探测方式基于上述任意一项权利要求所述的探测装置来实现，该探测方法具体包括如下步骤：

S1：对所述的探测装置周围的环境进行磁屏蔽，然后加热封闭气室，将原子气体制备到SERF态；

S2：

(1)当需要进入气室的光为椭圆偏振光时，打开任意一条光路的光路开关，该条光路上的光线经过起偏器变成线偏振光，再经过λ/4玻片转换为椭圆偏振光，进入气室，光旋角检测系统检测气室出射光中的线偏振成分的偏转角，得到垂直光轴方向的磁场矢量的分量；

(2)当需要进入气室的光为圆偏振光时，打开圆偏振光的光路开关，该条光路上的光线经过起偏器变成线偏振光，再经过λ/4玻片转换为圆偏振光，进入气室；

(3)当需要进入气室的光为线偏振光时，打开线偏振光的光路开关，线偏振光经过起偏器进入气室，光旋角检测系统检测气室出射光中的线偏振光的偏转角；结合(2)的圆偏振光，得到垂直圆偏振光和线偏振光所在平面的磁场矢量的分量；

S3：在气室的三个轴向上分别重复S2中的(1)和/或(3)，解析出三个垂直方向上的磁场矢量的分量，从而得到全三维的磁场矢量。

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