CN111007443A - 一种采用cpt磁力仪进行弱磁场测量的方法及cpt磁力仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法及CPT磁力仪，该CPT磁力仪整体是由电子箱和探头两部分组成，电子箱内包括各种电路控制模块，探头内集成了原子气室，电子箱与探头之间通过光纤进行信号传输；在原子气室气配比确定的情况下，调节激光光功率、激光光束直径、原子气室温度参数压窄EIT信号的线宽，测量相邻EIT信号的频差，可以实现CPT磁力仪的弱磁场测量。本发明压窄EIT信号线宽至700～7000Hz，能够实现100～1000nT弱磁场的测量，拓宽了CPT磁力仪的应用领域，为CPT磁力仪的产品化奠定了基础。

Description

一种采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法及CPT磁力仪
技术领域
本发明涉及一种采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法及CPT磁力仪，属于量子磁探测领域。
背景技术
弱磁场探测在空间弱磁探测具有广泛的意义。空间磁场往往在数百nT，深空磁场探测(例如：火星周围磁场探测)能够了解行星内部构造和动力学特性，从而推断其富含的物质资源；地球同步轨道(风云系列卫星)弱磁场探测可以作为地球气象预测，预警磁暴的参数之一。目前能够用来测量1000nT以下的弱磁场的磁力仪有磁通门磁力仪、SQUID磁力仪、SERF磁力仪、CPT磁力仪。但是磁通门磁力仪测量结果存在长期漂移，准确度较低；SQUID磁力仪体积较大，系统复杂，不适合移动平台测量；SERF磁力仪处于原理样机阶段，技术不够成熟；CPT磁力仪灵敏度高，无长期漂移，体积小，结构简单，通过压窄EIT信号线宽可实现100～1000nT弱磁场测量，CPT磁力仪将可能在空间弱磁探测领域发挥应用优势。
目前，从国内外关于CPT磁力仪的研究内容和发表的文献来看，研究的重点都是提高CPT磁力仪的灵敏度和其体积的小型化，对于提高CPT磁力仪的测量范围实现微弱磁场测量的研究还未见到。在空间弱磁探测发展的牵引下，急需一种能够用来测量弱磁场的磁力仪来满足应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，能够实现100～1000nT弱磁场测量，满足空间弱磁场测量的需求，拓宽了CPT磁力仪的应用领域，为CPT磁力仪的产品化奠定了基础。
本发明的另外一个目的在于提供一种CPT磁力仪。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，所述CPT磁力仪包括CPT磁力仪探头和CPT磁力仪电子箱，所述CPT磁力仪电子箱包括激光器和光电探测器，所述CPT磁力仪探头包括原子气室，具体实现方法如下：
(1)、将扫描电流作用于激光器，并调节原子气室温度到设定值，激光器产生的激光通过光纤传输至原子气室，光电探测器接收原子气室传输的透射光信号；
(2)、对所述透射光信号进行微波调制，得到具有多个吸收峰的透射光信号，将激光器的出光频率稳定在其中最大吸收峰的频率处；
(3)、将出光频率稳定在所述最大吸收峰频率的条件下，产生正弦波信号，并将所述正弦波信号进行数模转换后，再进行单边带调制，产生多个EIT信号；
(4)、测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度值。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，所述步骤(1)中的扫描电流的范围为0.6～2mA。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，所述步骤(1)中调节原子气室温度为40～70℃。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，所述CPT磁力仪电子箱还包括激光驱动模块和无磁温控模块，其中激光驱动模块产生扫描电流作用于激光器；无磁温控模块用于调节原子气室的温度。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，所述CPT磁力仪电子箱还包括激光微波调制模块、DDS模块、DA转换模块、正交调制模块和信号处理模块，其中微波调制模块对原子气室传输的透射光信号进行微波调制；DDS模块在出光频率稳定在所述最大吸收峰频率的条件下，产生正弦波信号；DA转换模块将正弦波信号进行数模转换；正交调制模块将数模转换后的模拟信号进行单边带调制；信号处理模块测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度值。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，所述CPT磁力仪探头还包括四分之一波片、偏振器、两个准直器，其中步骤(1)中激光器将产生的激光通过光纤依次传输至准直器、偏振器、四分之一波片后，进入原子气室，之后再经过准直器后通过光纤传输至光电探测器。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，所述步骤(1)中激光器产生的激光到达原子气室的光束直径比原子气室内径至少小2mm。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，激光器的光功率，进入原子气室值不低于30μw。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，所述步骤(2)中对透射光信号进行微波调制的频率为3.415GHz，所述步骤(3)中对正弦波波信号进行数模转换后的信号频率为2M±γB(Hz)；其中γ为旋磁比，B为待测磁场值。
在上述采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法中，所述步骤(4)中测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度的方法为：将得到的所有频差取平均值再除以旋磁比γ，得到稳定磁场强度。
一种CPT磁力仪，包括CPT磁力仪探头和CPT磁力仪电子箱，所述CPT磁力仪电子箱包括激光器、光电探测器、激光驱动模块、无磁温控模块、激光微波调制模块、DDS模块、DA转换模块和正交调制模块和信号处理模块，所述CPT磁力仪探头包括原子气室、四分之一波片、两个准直器和偏振器；
其中激光驱动模块产生扫描电流作用于激光器；无磁温控模块用于调节原子气室的温度；微波调制模块对原子气室传输的透射光信号进行微波调制；DDS模块在光频率稳定在所述最大吸收峰频率的条件下，产生正弦波信号；DA转换模块将正弦波信号进行数模转换；正交调制模块将数模转换后的模拟信号对激光锁定频率进行单边带调制；信号处理模块测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度值。
本发明与现有方法相比的优点在于：
(1)、本发明采用改进设计的CPT磁力仪进行弱磁场测量，能够实现弱磁场的高精度测量，本发明压窄EIT信号线宽至700～7000Hz，本发明基于CPT磁力仪系统实现100～1000nT弱磁场测量，满足空间弱磁场测量的需求，拓宽了CPT磁力仪的应用领域，为CPT磁力仪的产品化奠定了基础；克服了现有技术中难以实现弱磁场测量的问题。
(2)、本发明包括CPT磁力仪测磁结构组成和弱磁场测量方法，CPT磁力仪整体是由电子箱和探头两部分组成，电子箱内包括各种电路控制模块，探头内集成了原子气室，电子箱与探头之间痛过光纤进行信号传输。在原子气室气配比确定的情况下，调节激光光功率、激光光束直径、原子气室温度参数压窄EIT信号的线宽，测量相邻EIT信号的频差，可以实现CPT磁力仪的弱磁场测量。
(3)、本发明CPT磁力仪及测量方法能够克服磁通门磁力仪测量精度低、避免SQUID磁力仪大体积等问题，能够对弱磁场实现高精度、无盲区测量。
(4)、本发明通过调节激光光束直径、激光器光功率、原子气室温度参数等来达到压窄EIT信号线宽的目的，再通过微波调制及低频单边带调制来获取EIT信号，测量相邻EIT信号频差即可实现弱磁场测量；无需调整激光失谐、激光偏振、磁场方向，缓冲气体等，方法简单，易于实现，具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明当EIT信号线宽为1000Hz，待测磁场分别为1000nT、500nT、200nT、100nT时，根据拟合公式得到磁场测量仿真模型图；
图2为本发明当EIT信号线宽为700Hz，待测磁场分别为1000nT、500nT、200nT、100nT时，根据拟合公式得到磁场测量仿真模型图；
图3为本发明CPT磁力仪结构示意图；
图4为本发明CPT磁力仪测磁结构及原理图；
图5为本发明采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法原理图；
图6为本发明弱磁场测量的基本流程图，横向箭头表示CPT磁力仪磁场测量系统稳定经历步骤的现象，纵向箭头表示系统需要调节的参数，以满足弱磁场测量。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，使得CPT磁力仪能够用来测量100～1000nT的微弱磁场。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面先用测磁仿真模型分析限制CPT磁力仪弱磁测量因素，再结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
发生CPT效应的每个EIT透射信号都能用洛伦兹线型进行拟合，当激光方向与磁场方向平行时，激光透过原子气室会产生三组EIT信号。每个EIT透射信号都能用下式拟合：
Figure BDA0002294487920000051
式中：
α为幅度衰减因数，取n＝-1，α＝1/2，n＝0,α＝2/3，n＝1,α＝1；
Γ为EIT线型线宽；
νF12为精细能级结构中两基态之间的能级差；
νF12+nγB为微波调制频率，此时n＝±1；
νm-νF12+nγB为激光频率的失谐；
当EIT信号线宽为1000Hz，待测磁场分别为1000nT、500nT、200nT、100nT时，根据拟合公式得到磁场测量仿真图如图1：
当EIT信号线宽为700Hz，待测磁场分别为1000nT、500nT、200nT、100nT时，根据拟合公式得到磁场测量仿真图如图2：
根据仿真图可知，在EIT信号线宽一定时，随着待测磁场值得减小，EIT信号会逐渐接近，直至重合叠加，当线宽为1000Hz，磁场值B＝100nT时，三个EIT信号重合，导致磁场无法测量。100nT三峰重合的现象只是说明此时无法进行磁场测量，而不是线宽为1000Hz时能够测量磁场的极限。当EIT信号线宽为700Hz，此时，100nT的磁场并未导致三个峰值的重合叠加，这也就意味EIT信号线宽在700Hz的情况下，能够测量比100nT更微弱的磁场。
综上，当EIT信号线宽为1000Hz时，已经不能进行100nT弱磁场的测量，而当EIT信号线宽为700Hz时，能够测量比100nT更微弱的磁场。由此可见，EIT信号线宽是制约磁力仪弱磁场测量的因素。
如图3所示为本发明CPT磁力仪结构示意图，图4所示为本发明CPT磁力仪测磁结构及原理图，本发明CPT磁力仪包括CPT磁力仪探头和CPT磁力仪电子箱，其中CPT磁力仪电子箱包括激光器、光电探测器、激光器驱动模块、无磁温控模块、激光微波调制模块、DDS模块、DA转换模块和正交调制模块，信号处理模块均集成在电子箱内。CPT磁力仪探头包括原子气室、四分之一波片、偏振器、两个准直器，均集成在探头内，电子箱与探头之间通过光纤进行信号传输。
其中激光驱动模块产生扫描电流作用于激光器，用于驱动激光器。用到的VCSEL激光器出光频率与驱动电流成正比，驱动电流产生的扫描电流对应着不同的激光频率；
无磁温控模块用于调节原子气室的温度；原子气室的温度影响内部气体运动状态，是影响EIT信号生成的参数之一。
微波调制模块对原子气室传输的透射光信号进行微波调制；使得生成两束满足CPT效应的相干双色光场。
DDS模块在光频率稳定在最大吸收峰频率的条件下，产生正弦波信号。
DA转换模块将正弦波信号进行数模转换。
正交调制模块将数模转换后的模拟信号进行单边带调制。
信号处理模块测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度值
本发明采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法具体包括如下步骤：
(1)、激光驱动模块产生扫描电流作用于激光器，并调节原子气室温度到设定值，其中无磁温控模块调节原子气室的温度。
激光器将产生的激光通过光纤依次传输至CPT磁力仪探头的准直器、偏振器、四分之一波片后，进入原子气室，之后再经过准直器后通过光纤传输至光电探测器。本发明一可选实施例中可以看到两个吸收峰。
本发明一可选实施例中，扫描电流的范围为0.6～2mA。调节原子气室温度为40～70℃。调节光阑通光孔径使得激光进入原子气室的光束直径比气室直径至少小2mm。进入原子气室激光光功率值不低于30μw，优选30～40μw。
(2)、微波调制模块对原子气室传输的透射光信号进行微波调制，得到具有多个吸收峰的透射光信号，将激光器的出光频率稳定在其中最大吸收峰的频率处，得到激光光功率值。本发明一可选实施例中得到七个吸收峰。
本发明一可选实施例中，对透射光信号进行微波调制的频率为3.415GHz。
(3)、DDS模块在光频率稳定在最大吸收峰频率的条件下，产生正弦波信号；DA转换模块将该正弦波信号进行数模转换后，发送给正交调制模块，由正交调制模块将模数转换后的模拟信号进行单边带调制，产生多个EIT信号；本发明一可选实施例中产生3个EIT信号。
本发明一可选实施例中，对正弦波波信号进行数模转换后的信号频率为2M±γB(Hz)；其中γ为旋磁比，B为待测磁场值。
(5)、信号处理模块测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到磁屏蔽桶内产生的稳定磁场强度，具体方法为：将得到的所有频差取平均值再除以旋磁比γ，得到稳定磁场强度。
如图5所示为本发明采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法原理图，调节激光器光功率、激光器光束直径、原子气室温度参数，压窄EIT信号线宽700～7000Hz，使得CPT磁力仪能够测量100～1000nT的微弱磁场。调节激光器光功率，主要是通过激光器驱动电流来调节，调节VCSEL激光器的驱动电流为0.6～2mA，并且调节激光器温度参数50～55℃，在小电流扫描、3.415GHz高频微波调制的作用下，信号检测电路能够检测到七个吸收峰，将激光器稳频在最大吸收峰处，使得进入气室光功率不低于30μw。
调节激光器光束直径，主要是通过光阑的通光孔径来调节。光阑位置是在CPT磁力仪探头中，激光光束进入原子气室之前用光阑改变光束直径，使得激光光束直径比气室内径至少小2mm。
调节原子气室温度，主要是通过无磁温控电路来调节。为了避免加热磁场对CPT磁力仪磁场测量的影响，采用高频加热信号抵消加热磁场，将原子气室温度调节至40～70℃。
如图6所示为本发明弱磁场测量的基本流程图，横向箭头表示CPT磁力仪磁场测量系统稳定经历步骤的现象，纵向箭头表示系统需要调节的参数，以满足弱磁场测量。
以上调节激光器光功率、激光器光束直径、原子气室温度参数为平行调节关系，不存在逻辑上的先后。
实施例1
s1、激光驱动模块产生0.6～2mA的扫描电流作用于激光器；
s2、调节原子气室温度、激光器温度和光阑的通光孔径参数，使得光电探测器输出信号接入示波器出现两个吸收峰。调节原子气室系统温度至53.8℃；激光光功率为35μw，调节激光光束直径为5.4mm。
s3、加注微波调制，使得示波器上出现七个吸收峰，激光频率稳定在最大吸收峰极值点处。微波源加注微波调制频率为3.415GHz，扫描微波频率为2M±γB(HZ)，γ为旋磁比7Hz/nT。
s4、DDS模块生成的数字正弦信号经过DA转换为模拟信号对微波频率进行小范围(覆盖待测磁场频率)单边带调制，即可产生3个EIT信号。
s5、光电探测器采集气室内发生CPT效应后的光谱信号，再经信号检测模块和AD\DA电路进行数字信号处理，测量相邻EIT信号的频差后，除以旋磁比γ即可实现CPT磁力仪的弱磁场测量。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述CPT磁力仪包括CPT磁力仪探头和CPT磁力仪电子箱，所述CPT磁力仪电子箱包括激光器和光电探测器，所述CPT磁力仪探头包括原子气室，具体实现方法如下：
(1)、将扫描电流作用于激光器，并调节原子气室温度到设定值，激光器产生的激光通过光纤传输至原子气室，光电探测器接收原子气室传输的透射光信号；
(2)、对所述透射光信号进行微波调制，得到具有多个吸收峰的透射光信号，将激光器的出光频率稳定在其中最大吸收峰的频率处；
(3)、将出光频率稳定在所述最大吸收峰频率的条件下，产生正弦波信号，并将所述正弦波信号进行数模转换后，再进行单边带调制，产生多个EIT信号；
(4)、测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度值。
2.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的扫描电流的范围为0.6～2mA。
3.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述步骤(1)中调节原子气室温度为40～70℃。
4.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述CPT磁力仪电子箱还包括激光驱动模块和无磁温控模块，其中激光驱动模块产生扫描电流作用于激光器；无磁温控模块用于调节原子气室的温度。
5.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述CPT磁力仪电子箱还包括激光微波调制模块、DDS模块、DA转换模块、正交调制模块和信号处理模块，其中微波调制模块对原子气室传输的透射光信号进行微波调制；DDS模块在出光频率稳定在所述最大吸收峰频率的条件下，产生正弦波信号；DA转换模块将正弦波信号进行数模转换；正交调制模块将数模转换后的模拟信号进行单边带调制；信号处理模块测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度值。
6.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述CPT磁力仪探头还包括四分之一波片、偏振器、两个准直器，其中步骤(1)中激光器将产生的激光通过光纤依次传输至准直器、偏振器、四分之一波片后，进入原子气室，之后再经过准直器后通过光纤传输至光电探测器。
7.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述步骤(1)中激光器产生的激光到达原子气室的光束直径比原子气室内径至少小2mm。
8.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：激光器的光功率，进入原子气室值不低于30μw。
9.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述步骤(2)中对透射光信号进行微波调制的频率为3.415GHz，所述步骤(3)中对正弦波波信号进行数模转换后的信号频率为2M±γB(Hz)；其中γ为旋磁比，B为待测磁场值。
10.根据权利要求1所述的采用CPT磁力仪进行弱磁场测量的方法，其特征在于：所述步骤(4)中测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度的方法为：将得到的所有频差取平均值再除以旋磁比γ，得到稳定磁场强度。
11.一种CPT磁力仪，其特征在于：包括CPT磁力仪探头和CPT磁力仪电子箱，所述CPT磁力仪电子箱包括激光器、光电探测器、激光驱动模块、无磁温控模块、激光微波调制模块、DDS模块、DA转换模块和正交调制模块和信号处理模块，所述CPT磁力仪探头包括原子气室、四分之一波片、两个准直器和偏振器；
其中激光驱动模块产生扫描电流作用于激光器；无磁温控模块用于调节原子气室的温度；微波调制模块对原子气室传输的透射光信号进行微波调制；DDS模块在光频率稳定在所述最大吸收峰频率的条件下，产生正弦波信号；DA转换模块将正弦波信号进行数模转换；正交调制模块将数模转换后的模拟信号对激光锁定频率进行单边带调制；信号处理模块测量相邻两个EIT信号的频差，根据所述频差得到被测磁场强度值。
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