CN110988757A - 基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法 - Google Patents

基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，激光器输出的线偏振激光经过偏振方向旋转器，控制激光的偏振方向；原子气室置于方向可控的射频磁场内线偏振激光穿过原子气室后，透射光被光电探测器探测；光电探测器获取的不同频率信号大小取决于外界磁场与激光偏振方向的夹角；通过解算磁共振时透射光信号的直流分量、一倍频分量、二倍频分量信号获得磁场的大小和方向。本发明的有益效果是可对地磁场的大小和方向进行高精度测量，磁场测量精度能够达到nT量级，测量灵敏度能够达到pT量级，并且无工作盲区。

Description

基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法
技术领域
本发明属于量子精密测量、空间磁场探测技术领域，尤其涉及一种基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法。
背景技术
磁场是一种重要的空间物理场，磁场高精度矢量测量对于空间磁场测量、卫星定姿、地磁导航、地震监测、磁性目标探测等应用是非常重要的。通常磁场矢量测量主要以磁通门磁力仪为主，由于工作原理的限制，磁通门磁力仪存在正交度误差；随时间积累以及在温度变化过程中，磁通门磁力仪存在零漂问题，会影响磁测数据的准确度；现阶段磁场测量要求的灵敏度也非常高，需要测量pT量级甚至更低的磁异常信号，磁通门磁力仪极难具有这样低的灵敏度。为了实现磁场矢量高精度测量，通常使用只能对磁场大小测量的原子磁力仪对三轴磁通门磁力仪进行校准，然而由于原子磁力仪容易受磁通门磁力仪的干扰，两个磁力仪会相距一定的距离，必然会引入测量误差以及数据处理的滤波和同步误差。由此可见，需要一种能够同时对磁场的大小和方向进行测量的新型矢量原子磁力仪，用于磁场矢量高精度测量。
传统的矢量磁力仪包括超导量子干涉器件磁力仪(SQUID)、磁阻磁力仪、磁通门磁力仪等，这些磁力仪都是由三个单轴传感器通过装配的方式组装成三轴矢量传感器，本身存在不可避免的正交误差，难以满足磁场矢量高精度测量的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，目的是对磁场的大小和方向进行高精度测量，测量精度能够达到nT量级，测量灵敏度能够达到pT量级，并且无工作盲区。
本发明的技术方案为：基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，激光器输出的线偏振激光经过偏振方向旋转器，控制激光的偏振方向；原子气室置于方向可控的射频磁场内线偏振激光穿过原子气室后，透射光被光电探测器探测；光电探测器获取的不同频率信号大小和磁场
Figure BDA0002295990790000011
与激光偏振方向的夹角相关；原子基态在磁场作用下退简并形成三个磁子能级，在射频磁场的作用下发生磁共振，原子基态三个磁子能级耦合在一起，形成了新的相干叠加态，产生频率为ωL、2ωL的量子拍信号，归一化透射光信号为：
Figure BDA0002295990790000012
其中，LAdc为信号的直流分量；
Figure BDA0002295990790000013
为信号的一次谐波分量；
Figure BDA0002295990790000014
为信号的二次谐波分量；通过检测透射光信号的直流分量、一次谐波分量(一倍频)、二次谐波分量(二倍频)信号获得磁场的大小和方向。
与现有技术相比，本发明提出通过操控原子自旋态在三分量方向上的不同量子相干效应来实现对磁场三分量测量的方法；根据光电探测器获取的不同频率信号，其信号大小与磁场方向和激光偏振方向的夹角有关，利用偏振方向旋转器控制激光的偏振方向，通过检测透射光信号的直流分量、一次谐波分量(一倍频)、二次谐波分量(二倍频)信号实现磁场方向测量。
基于上述方案，本发明还做出了如下改进：
进一步地，对射频磁场进行调制，解调得到透射光信号的直流分量LAdc的磁共振信号，或者直接利用透射光信号的二次谐波分量
Figure BDA0002295990790000021
将射频磁场的频率锁定在磁共振点ωL，得到磁场
Figure BDA0002295990790000022
的大小。
进一步地，调节射频线圈的参数，即调整两对射频线圈电流信号的相位角，改变射频磁场的方向，使射频磁场方向与激光偏振方向相同，保证磁子能级跃迁的拉比频率Ω保持恒定，使得磁场和激光偏振方向的夹角只与透射光信号的
Figure BDA0002295990790000023
和
Figure BDA0002295990790000024
信号的幅值比
Figure BDA0002295990790000025
相关。
进一步地，调节电压控制偏振方向旋转器，改变激光的偏振方向，测量多个偏振方向下透射光信号的
Figure BDA0002295990790000026
和
Figure BDA0002295990790000027
信号的幅值比
Figure BDA0002295990790000028
通过解算得到磁场的方向。
本技术方案的有益效果是通过频率测量可以获取高精度的磁场大小，并且频率信号的幅度测量精度远高于直流信号幅度测量，通过频率信号的幅度比可精确解算磁场方向；可对磁场的大小和方向进行高精度测量，磁场测量精度能够达到nT量级，测量灵敏度能够达到pT量级，并且无工作盲区。
附图说明
图1是本发明的微弱磁场矢量测量装置示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。
如图1所述的基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量系统，包括
激光器，半导体激光器或光纤激光器，提供用于极化原子的线偏振激光；稳频模块用来抑制其中心频率移动，温控模块用来维持激光器工作时所需的恒温状态。
偏振方向旋转器：用于控制激光的偏振方向，不同的控制电压对应输出激光不同的偏振方向。
原子气室：一个密封有碱金属或氦原子的立方体或圆柱形玻璃器件，是磁力仪的磁敏感单元。对于碱金属原子，工作时需要加热，产生碱金属蒸汽；对于氦原子，工作时需要高频激励，产生亚稳态氦原子。
射频线圈：2组正交射频线圈，分别产生水平方向射频磁场RF-H(H0·cosθ)和垂直方向射频磁场RF-V(H0·sinθ)，通过调整相位角θ产生方向可控的射频磁场。
光电探测器：用于探测透射原子气室的激光功率，将接收到的光信号转化为电压信号。
电子学系统：用于磁力仪系统控制、信号检测与处理。通过信号检测获取直流分量信号LAdc、一次谐波分量信号
Figure BDA0002295990790000031
二次谐波分量信号
Figure BDA0002295990790000032
将直流分量信号LAdc作为反馈信号，控制射频磁场生成器，对磁共振信号进行调制解调以及磁共振点锁定，获取磁场大小信息；将一次谐波分量信号
Figure BDA0002295990790000033
二次谐波分量信号
Figure BDA0002295990790000034
转成成反馈信号至偏振方向旋转器的控制模块，通过电压控制偏振方向旋转器改变激光偏振方向，使磁共振信号的幅值大于某一设定值，保证磁共振点正常锁定，即无工作盲区；根据偏振方向旋转器的控制电压，调整射频线圈参数，使得射频磁场方向与激光偏振方向相同，保证磁子能级跃迁的拉比频率Ω保持恒定，使得磁场和激光偏振方向的夹角只与透射光信号的
Figure BDA0002295990790000035
和
Figure BDA0002295990790000036
信号的幅值比
Figure BDA0002295990790000037
相关；通过信息处理给出待测磁场的大小和方向信息。
基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法如下：
激光器输出线偏振激光，经过偏振方向旋转器控制激光的偏振方向，当激光为TEM模的高斯光束且原子气室长度有限时，从激光与原子作用的角度看，激光是一条沿z方向传播的直线。激光经过气室后，由光电探测器探测光功率的变化。
射频线圈为两组互相垂直的线圈组成，通过电流控制可施加较小的x方向(水平)和y方向(垂直)的射频磁场：
Figure BDA0002295990790000038
任意磁场用三分量可表示为：
Figure BDA0002295990790000039
即，磁场
Figure BDA00022959907900000310
与x方向的夹角为α，与y方向的夹角为β，与z方向的夹角为γ，有cos2α+cos2β+cos2γ＝1。
原子基态在磁场作用下退简并，形成|g1＞，|g2＞和|g3＞三个磁子能级，由于射频磁场的存在，原子基态三个磁子能级耦合在一起，形成了新的相干叠加态，此叠加态产生的量子拍信号包含两个频率：一个是相邻磁子能级的量子拍信号ωL＝γB0，另一个是|g1＞和|g3＞之间形成的量子拍信号2ωL。
归一化透射光信号为：
Figure BDA0002295990790000041
LAdc为信号的直流分量；
Figure BDA0002295990790000042
为信号的一次谐波分量；
Figure BDA0002295990790000043
为信号的二次谐波分量。
根据直流分量LAdc随频率失谐的变化，通过控制射频磁场对磁共振信号进行调制解调，或者直接利用透射光信号的二次谐波分量
Figure BDA0002295990790000044
将射频磁场的频率锁定在磁共振点ωL，得到磁场
Figure BDA0002295990790000045
的大小。此时，与射频场频率同相位的
Figure BDA0002295990790000046
和
Figure BDA0002295990790000047
信号的振幅比
Figure BDA0002295990790000048
为：
Figure BDA0002295990790000049
根据信号的角度特性(激光偏振方向与磁场方向的夹角φ)，通过电压控制偏振方向旋转器改变激光偏振方向，当
Figure BDA00022959907900000410
信号的幅值达到极大值且
Figure BDA00022959907900000411
信号的幅值为零时，激光偏振方向与磁场方向垂直；设置θ(即射频磁场的方向)的大小，使射频磁场方向与激光偏振方向相同，保证磁子能级跃迁的拉比频率Ω保持恒定；再通过电压控制偏振方向旋转器，测量不同偏振方向下
Figure BDA00022959907900000412
和
Figure BDA00022959907900000413
信号的振幅比
Figure BDA00022959907900000414
通过解算可以得到磁场方向信息。
利用激光偏振方向与波矢方向定义了测量坐标系，由麦克斯韦方程可知，高斯激光的偏振方向与波矢方向严格垂直，通过由消光比极高的偏振方向旋转器控制激光偏振方向，可以获取2π方向的谐振频率信号，通过数据处理就能够得到磁场矢量信息；通过频率测量可以获取高精度的磁场总场，频率信号的幅度测量精度远高于直流信号幅度测量，通过频率信号的幅度比可精确解算磁场方向信息。

Claims (3)

1.基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，其特征在于：激光器输出的线偏振激光经过偏振方向旋转器，控制激光的偏振方向；原子气室置于方向可控的射频磁场内，线偏振激光穿过原子气室后，透射光被光电探测器探测；光电探测器获取的不同频率信号大小和磁场
Figure FDA0002295990780000011
与激光偏振方向的夹角相关；
原子基态在磁场作用下退简并形成三个磁子能级，在射频磁场的作用下发生磁共振，原子基态三个磁子能级耦合在一起，形成了新的相干叠加态，产生频率为ωL、2ωL的量子拍信号，归一化透射光信号为：
Figure FDA0002295990780000012
其中，LAdc为信号的直流分量；
Figure FDA0002295990780000013
为信号的一次谐波分量；
Figure FDA0002295990780000014
为信号的二次谐波分量；通过检测透射光信号的直流分量、一次谐波分量、二次谐波分量信号获得磁场的大小和方向。
2.根据权利要求1所述的微弱磁场矢量测量方法，其特征在于：对射频磁场进行调制，解调得到透射光信号的直流分量LAdc的磁共振信号，或者直接利用透射光信号的二次谐波分量
Figure FDA0002295990780000015
将射频磁场的频率锁定在磁共振点ωL，得到磁场
Figure FDA0002295990780000016
的大小。
3.根据权利要求1所述的微弱磁场矢量测量方法，其特征在于：调整射频线圈的参数，即调整两对射频线圈电流信号的相位角，使射频磁场方向与激光偏振方向相同，保证磁子能级跃迁的拉比频率Ω保持恒定；检测与射频场频率同相位的透射光信号的
Figure FDA0002295990780000017
和
Figure FDA0002295990780000018
信号的幅值比
Figure FDA0002295990780000019
通过解算得到磁场
Figure FDA00022959907800000110
与激光偏振方向的夹角；通过调节电压控制偏振方向旋转器，改变激光的偏振方向，测量多个偏振方向下透射光信号的
Figure FDA00022959907800000111
和
Figure FDA00022959907800000112
信号的幅值比
Figure FDA00022959907800000113
通过解算得到磁场
Figure FDA00022959907800000114
的方向。
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