CN111025206B - 一种基于原子磁共振的静磁场空间分布测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于原子磁共振的小尺度空间静磁场空间分布测量方法，该方法用于测量静磁场的空间分布均匀性，其基本原理是将充满碱金属(K，Rb，Cs等)的原子气室放置于静磁场中，选用圆偏振光使碱金属(K，Rb，Cs等)原子极化。采用垂直于静磁场的射频场使碱金属(K，Rb，Cs等)原子发生磁共振，光电探测器阵列探测穿过气室的圆偏振光的光强，根据碱金属(K，Rb，Cs等)原子拉莫尔进动频率得到静磁场强度。通过空间光调制器改变圆偏振光的空间位置，或者采用光电探测器线阵阵列实现小尺度空间的磁场强度分布测量。

Description

一种基于原子磁共振的静磁场空间分布测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于原子磁共振的静磁场空间分布测量系统及方法，属于静磁场分布技术领域。
背景技术
在很多技术领域和科研工作中，需要用到磁场的空间分布信息，且随着医学、电磁学、生物学等领域的发展，确定研究对象中的微观磁性变得尤为重要，因此发展小尺度空间静磁场空间分布测量技术具有重要的应用价值。
小尺度空间磁场测量就是测量微观尺度下的磁场分布技术。目前有代表性的技术，根据其测量原理的不同可以分为：扫描超导量子干涉技术、金刚石色心技术和原子气室技术。
在原子气室技术领域中，其基本原理是利用使碱金属发生超精细结构能级分裂的特定波段的圆偏振光，使碱金属原子极化到特定能级。极化后的碱金属原子具有磁矩，并在磁场作用下做拉莫尔进动，宏观上用极化率的正弦波动表示拉莫尔进动。再通过一束与圆偏振光方向垂直的线偏振探测光检测这种进动，此外也可以通过检测圆偏振光的吸收量来得到原子极化率，即可根据Bloch方程计算得到原始磁场信息。但满足要求的脉冲圆偏振光难以调制，且只能检测瞬态磁场信息。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于原子磁共振的小尺度空间静磁场空间分布测量方法，该方法用于测量静磁场的空间分布均匀性，其基本原理是将充满碱金属(K，Rb，Cs等)的原子气室放置于静磁场中，选用圆偏振光使碱金属(K，Rb，Cs等)原子极化。采用垂直于静磁场的射频场使碱金属(K，Rb，Cs等)原子发生磁共振，光电探测器阵列探测穿过气室的圆偏振光的光强，根据碱金属(K，Rb，Cs等)原子拉莫尔进动频率得到静磁场强度。通过空间光调制器改变圆偏振光的空间位置，或者采用光电探测器线阵阵列实现小尺度空间的磁场强度分布测量。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于原子磁共振的静磁场空间分布测量系统，包括激光、光学滤波器、起偏器、1/4波片、扩束透镜、准直透镜、四层磁屏蔽、加热炉、碱金属原子气室、线圈、射频场、光电信号探测器阵列；
激光依次通过光学滤波器、起偏器、1/4波片、扩束透镜、准直透镜后，穿过四层磁屏蔽后进入光电信号探测器阵列；线圈在四层磁屏蔽内，加热炉在线圈内，碱金属原子气室在加热炉内；四层磁屏蔽处于射频场范围内；
碱金属原子气室内充满碱金属原子。
优选的，碱金属原子气室的采用石英玻璃或硼硅玻璃材料制成。
优选的，射频场沿x轴方向垂直于静磁场，光电信号探测器阵列的阵列垂直于圆偏振光方向并沿x-y面排列。
优选的，激光通过起偏器变为线偏振光。
优选的，1/4波片用于将线偏振光转换为圆偏振光。
优选的，扩束透镜和准直透镜用于扩大圆偏振光光束直径，使其覆盖气室。
优选的，四层磁屏蔽用于屏蔽地磁场。
优选的，线圈用于产生碱金属进动需要的静磁场。
优选的，激光采用激光器产生，波长为600nm～1000nm。
一种基于原子磁共振的静磁场空间分布测量方法，包括如下步骤：
S1、制备充满碱金属原子的气室；
S2、使用圆偏振光极化碱金属原子；
S3、给碱金属原子气室沿z轴方向施加静磁场的同时，沿x轴方向施加射频场，使原子发生磁共振；
S4、调制射频场振荡频率，并用光电探测器线阵阵列对出射光斑进行光强探测；当输出光强的周期信号幅值最大时，其信号周期对应频率即原子共振频率；
S5、扫频法调制射频场振荡频率，依次记录z轴方向上每一个探测器探测到的光强输出信号幅值最大时对应周期；
S6、采用逐点扫频方法计算得到空间静磁场空间分布。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明提出的基于原子磁共振的小尺度空间静磁场空间分布测量方法降低了对圆偏振光的要求，可以在气室内达到稳态后测量磁场信息；探测器通过探测光强容易得到共振峰信息，极大地简化了计算过程，且通过计算可以得到磁场梯度信息。此外，通过设计探测器阵列还可以有效提高空间分辨率。
附图说明
图1为本发明系统的组成框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种基于原子磁共振的小尺度空间静磁场空间分布测量方法，其原理是利用特定波长的圆偏振光使碱金属原子极化到特定能级，极化后的碱金属原子在静磁场作用下，以拉莫尔频率进动，再通过施加特定振荡频率的横向射频场，使其达到磁共振条件，最后通过探测圆偏振光出射光强得到共振峰，即可得到原始磁场分布信息。该方法在简化装置同时还提高了空间分辨率。其中，圆偏振光方向传播方向定义为z轴正向，静磁场与圆偏振光传播方向同向，射频场沿x轴方向垂直于静磁场，利用右手螺旋定则定义y轴，光电探测器线阵阵列垂直于圆偏振光方向并沿x-y面排列。
具体包括如下步骤：
a)制备充满碱金属(K，Rb，Cs等)原子的气室；
b)使用圆偏振光极化碱金属(K，Rb，Cs等)原子；
c)给碱金属(K，Rb，Cs等)原子气室沿z轴方向施加静磁场的同时，沿x轴方向施加射频场，使原子发生磁共振；
d)调制射频场振荡频率，并用光电探测器线阵阵列对出射光斑进行光强探测。当输出光强的周期信号幅值最大时，其信号周期对应频率即原子共振频率；
e)扫频法调制射频场振荡频率，依次记录z轴方向上每一个探测器探测到的光强输出信号幅值最大时对应周期；
f)计算得到空间静磁场空间分布并验证其均匀性。
实施例1：
一种基于原子磁共振的静磁场空间分布测量系统，包括激光1、光学滤波器2、起偏器3、1/4波片4、扩束透镜5、准直透镜6、四层磁屏蔽7、加热炉8、碱金属原子气室9、线圈10、射频场11、光电信号探测器阵列12；
激光1依次通过光学滤波器2、起偏器3、1/4波片4、扩束透镜5、准直透镜6后，穿过四层磁屏蔽7后进入光电信号探测器阵列12；线圈10在四层磁屏蔽7内，加热炉8在线圈10内，碱金属原子气室9在加热炉8内；四层磁屏蔽7处于射频场11范围内；
碱金属原子气室9内充满碱金属原子。
碱金属原子气室9的采用石英玻璃或硼硅玻璃材料制成。
射频场11沿x轴方向垂直于静磁场，光电信号探测器阵列12的阵列垂直于圆偏振光方向并沿x-y面排列。
激光1通过起偏器3变为线偏振光。1/4波片4用于将线偏振光转换为圆偏振光。扩束透镜5和准直透镜6用于扩大圆偏振光光束直径，使其覆盖气室。四层磁屏蔽7用于屏蔽地磁场。线圈10用于产生碱金属进动需要的静磁场。激光1采用激光器产生，波长为600nm～1000nm。
一种基于原子磁共振的静磁场空间分布测量方法，包括如下步骤：
S1、制备充满碱金属原子的气室；
S2、使用圆偏振光极化碱金属原子；
S3、给碱金属原子气室沿z轴方向施加静磁场的同时，沿x轴方向施加射频场，使原子发生磁共振；
S4、调制射频场振荡频率，并用光电探测器线阵阵列对出射光斑进行光强探测；当输出光强的周期信号幅值最大时，其信号周期对应频率即原子共振频率；
S5、扫频法调制射频场振荡频率，依次记录z轴方向上每一个探测器探测到的光强输出信号幅值最大时对应周期；
S6、采用逐点扫频方法计算得到空间静磁场空间分布。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于原子磁共振的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，采用基于原子磁共振的静磁场空间分布测量系统；
基于原子磁共振的静磁场空间分布测量系统，包括激光(1)、光学滤波器(2)、起偏器(3)、1/4波片(4)、扩束透镜(5)、准直透镜(6)、四层磁屏蔽(7)、加热炉(8)、碱金属原子气室(9)、线圈(10)、射频场(11)、光电信号探测器阵列(12)；
激光(1)依次通过光学滤波器(2)、起偏器(3)、1/4波片(4)、扩束透镜(5)、准直透镜(6)后，穿过四层磁屏蔽(7)后进入光电信号探测器阵列(12)；线圈(10)在四层磁屏蔽(7)内，加热炉(8)在线圈(10)内，碱金属原子气室(9)在加热炉(8)内；四层磁屏蔽(7)处于射频场(11)范围内；
碱金属原子气室(9)内充满碱金属原子；
静磁场空间分布测量方法包括如下步骤：
S1、制备充满碱金属原子的气室；
S2、使用圆偏振光极化碱金属原子；
S3、给碱金属原子气室沿z轴方向施加静磁场的同时，沿x轴方向施加射频场，使原子发生磁共振；
S4、调制射频场振荡频率，并用光电探测器线阵阵列对出射光斑进行光强探测；当输出光强的周期信号幅值最大时，其信号周期对应频率即原子共振频率；
S5、扫频法调制射频场振荡频率，依次记录z轴方向上每一个探测器探测到的光强输出信号幅值最大时对应周期；
S6、采用逐点扫频方法计算得到空间静磁场空间分布。
2.根据权利要求1所述的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，碱金属原子气室(9)采用石英玻璃或硼硅玻璃材料制成。
3.根据权利要求1所述的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，射频场(11)沿x轴方向垂直于静磁场，光电信号探测器阵列(12)的阵列垂直于圆偏振光方向并沿x-y面排列。
4.根据权利要求1所述的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，激光(1)通过起偏器(3)变为线偏振光。
5.根据权利要求1～4之一所述的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，1/4波片(4)用于将线偏振光转换为圆偏振光。
6.根据权利要求1～4之一所述的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，扩束透镜(5)和准直透镜(6)用于扩大圆偏振光光束直径，使其覆盖气室。
7.根据权利要求1～4之一所述的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，四层磁屏蔽(7)用于屏蔽地磁场。
8.根据权利要求1～4之一所述的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，线圈(10)用于产生碱金属进动需要的静磁场。
9.根据权利要求1～4之一所述的静磁场空间分布测量方法，其特征在于，激光(1)采用激光器产生，波长为600nm～1000nm。
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