CN111610470A - 一种新型射频原子磁力仪及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型射频原子磁力仪及其实现方法。该方法是激光波长稳定，且保持激光波长与碱金属原子基态能级共振；将偏振片垂直于激光光束方向，使激光变为线偏振激光；线偏振激光经过原子气室并被光电探测器接收，同时线偏振激光方向与待测交变磁场方向平行或垂直；静磁场稳定不变，其方向与线偏振激光方向平行；射频场方向与待测交变磁场方向垂直；光电探测器探测全部经过原子气室的线偏振激光的光强值变化并输出电压值，经反馈控制器采集，对信号发生器进行反馈控制，使得射频场频率与待测交变磁场频率差值的绝对值等于碱金属原子的拉莫尔进动频率；根据磁共振光谱计算待测交变磁场频率与磁感应强度。本发明优点是操作简单、测量范围大。

Description

一种新型射频原子磁力仪及其实现方法

技术领域

本发明属于磁场测量领域，涉及一种新型射频原子磁力仪及其实现方法，用于测量高频交变磁场，从而提高射频原子磁力仪的测量范围。

背景技术

射频原子磁力仪是原子磁力仪中的重要分支，主要用于测量交变磁场，弥补了传统原子磁力仪只能测量静态磁场的缺陷，使原子磁力仪的应用更加广阔。目前，传统的射频原子磁力仪主要通过调节静态磁场，使其大小与待测交变磁场频率满足一定的正比关系，从而实现待测交变磁场的测量。当待测交变磁场的频率较高时，传统的射频原子磁力仪要求静态磁场的大小相应提高，而过大的静态磁场将引起原子二阶塞曼效应的增强，从而导致传统的射频原子磁力仪的灵敏度下降。因此，传统的射频原子磁力仪对交变磁场的频率测量范围较小,一般小于1MHz。

发明内容

本发明的目的是为了提高射频原子磁力仪对交变磁场的频率测量范围，提供了一种新型射频原子磁力仪实现方法。这种方法通过引入一个参数已知且频率可调的射频场，使待测交变磁场与射频场同时与原子相互作用，则与原子相互作用的等效射频场为两者的差频。通过这种方法，当静态磁场不变且待测交变磁场的频率发生变化时，只需要通过调节射频场频率，使与原子相互作用的等效射频场的频率不变，即可实现磁共振光谱，并根据磁共振光谱对待测交变磁场进行测量。

本发明的工作机理是：利用一个射频线圈产生射频场，使原子感受到的总射频场频率为射频场与待测交变磁场的频率差的绝对值，同时给原子施加一个稳定已知的静态磁场，调节射频场频率，使原子的拉莫尔进动频率等于总射频场频率，从而形成磁共振光谱，并根据磁共振光谱对待测交变磁场进行测量。该方法规避了调节静态磁场引起的二阶塞曼效应的影响，通过调节射频场频率，实现交变磁场的宽动态频率测量。

射频原子磁力仪包括激光光源1、弱磁场探头2、信号处理电路3；激光光源1与弱磁场探头2通过激光光路连接；弱磁场探头2与信号处理电路3通过电路连接；

所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、偏振片6构成；

激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次经过偏振片6、弱磁场探头2；

激光器控制电路5由激光电流源7、温度控制器8构成，其中激光电流源7与温度控制器8直接控制半导体激光器4；即激光电流源7与半导体激光器4的电流输入端连接，温度控制器8的输入输出信号端与半导体激光器4的温度控制输入输出信号端连接。

所述的弱磁场探头2由原子气室9、磁场线圈10、磁场电流源11、射频线圈12、偏振分束棱镜13、光电探测器14构成；

激光光源1发射出的激光依次透过原子气室9和偏振分束棱镜13，被光电探测器14接收；

原子气室9由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成；

原子气室9放置在磁场线圈10和射频线圈12内；

磁场线圈10与磁场电流源11通过电路连接；

所述的信号处理电路3由信号发生器15、反馈控制器16构成；

信号发生器15与射频线圈12通过电路连接；控制信号发生器15控制射频线圈12产生射频场；

光电探测器14与反馈控制器16通过电路连接；光电探测器14将接收到的电压信号传输给反馈控制器16；反馈控制器16根据光电探测器14传输的信号，对信号发生器15输出的射频场频率进行控制。

本发明对射频原子磁力仪的实现方法具体是：

步骤(1).调节射频原子磁力仪中的激光光源1：

首先调节激光器控制电路5中激光电流源7、温度控制器8，保持半导体激光器4发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器4发射出的激光波长与弱磁场探头2中碱金属原子基态能级共振；将偏振片6垂直置于激光光束方向，使得半导体激光器4发出的激光转变为线偏振激光；

作为优选，激光波长在偏振片、偏振分束棱镜、光电探测器的波长范围内。

步骤(2).调节射频原子磁力仪中的弱磁场探头2：

将弱磁场探头2置于待测交变磁场内，调节弱磁场探头2，使线偏振激光依次经过原子气室9和偏振分束棱镜13并被光电探测器14接收，同时，线偏振激光方向与待测交变磁场方向平行或垂直；所述的原子气室9位于磁场线圈10与射频线圈12间；

所述的磁场线圈10产生的静磁场保持恒定不变，且静磁场方向与线偏振激光方向平行；

作为优选，静磁场方向与激光传播方向平行。

所述的射频线圈12产生的射频场方向与待测交变磁场方向垂直；

所述的光电探测器14将探测到的全部经过偏振分束棱镜13的线偏振激光的光强值变化转变成电压值输出；

所述的射频线圈12的信号接收端与信号发生器15的信号输出端连接；

所述的偏振片6与偏振分束棱镜13的光轴呈一定夹角，使得信号发生器15未打开时，光电探测器14接收到的光强值最大，并记录此时光电探测器14输出的电压值Y₀；

采用磁场电流源11调节使磁场线圈10产生恒定不变的静磁场；

步骤(3).调节射频原子磁力仪中的信号处理电路3：

反馈控制器16接收光电探测器14输出的电压值并控制信号发生器15输出信号的频率，电压值、信号发生器输出的信号频率的关系如公式(1)：

其中，Y为光电探测器输出的电压值，ω为信号发生器输出的信号频率，π为圆周率，k为比例系数，是定值，可取值为1，υ为磁共振线宽，ω₀为待测交变磁场频率，B为磁场线圈10产生的静磁场的磁感应强度，γ为碱金属原子的旋磁比，是定值；

待测磁场下,公式(1)中的Y值取两个最小极值Y_min1和Y_min2时，Y_min1和Y_min2分别对应ω₁与ω₂，见公式(2)、公式(3)：

ω₁＝ω₀-γB (2)

ω₂＝ω₀+γB (3)

其中，ω₁与ω₂分别为公式(1)中，Y值取不同极值点时对应的ω的值；

待测交变磁场频率ω₀如公式(4)：

待测交变磁场的磁感应强度B₁如公式(5)：

其中，k₁为比例系数，是定值，可通过将射频原子磁力仪放入已知磁场值为B₀的标准磁场中确定。

射频原子磁力仪放入已知磁场值为B₀的标准磁场中时，公式(1)中的Y值取两个最小极值Y'_min1和Y'_min2，则k₁如公式(6)：

传统的射频原子磁力仪通过调节静磁场的磁感应强度B实现待测交变磁场的测量。静磁场的磁感应强度B与待测交变磁场频率ω₀需要满足公式(7):

ω₀＝γB (7)

根据公式(7)可知，传统的射频原子磁力仪需要增大静磁场的磁感应强度B才能实现对较高频率交变磁场的测量，而过大的静磁场将引起原子二阶塞曼效应的增强，从而降低射频原子磁力仪的灵敏度。

利用本发明方法后，根据步骤(3)可知，磁场线圈10产生的静磁场的磁感应强度B在测量过程中稳定不变，其值只与射频场频率和待测交变磁场频率差值的绝对值成正比。根据公式(2)-(4)可知，通过控制信号发生器15输出信号的频率，使其与待测交变磁场频率的差值的绝对值保持不变，即可在保持静磁场的磁感应强度B不变的情况下，实现对高频交变磁场的测量。

本发明的优点是：一、操作简单，仅需操作射频原子磁力仪中的激光光源1、弱磁场探头2、信号处理电路3三个部分；二、测量范围大，通过调节射频场频率，可实现对频率高于100MHz的高频交变磁场的测量。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的详细流程示意图；

图3为本发明激光控制电路的流程示意图；

图4为本发明获得的磁共振光谱结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的分析。

利用一个射频线圈产生射频场，使原子感受到的总射频场频率为射频场与待测交变磁场的频率差的绝对值，同时给原子施加一个稳定已知的静态磁场，调节射频场频率，使原子的拉莫尔进动频率等于总射频场频率，从而形成磁共振光谱，并根据磁共振光谱对待测交变磁场进行测量。

如图1所示，射频原子磁力仪包括激光光源1、弱磁场探头2、信号处理电路3；激光光源1与弱磁场探头2通过激光光路连接；弱磁场探头2与信号处理电路3通过电路连接；

如图2所示，所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、偏振片6构成；

激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次经过偏振片6、弱磁场探头2；

所述的弱磁场探头2由原子气室9、磁场线圈10、磁场电流源11、射频线圈12、偏振分束棱镜13、光电探测器14构成；

激光光源1发射出的激光依次透过原子气室9和偏振分束棱镜13，被光电探测器14接收；

原子气室9由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成；

原子气室9放置在磁场线圈10和射频线圈12内；

磁场线圈10与磁场电流源11通过电路连接；

所述的信号处理电路3由信号发生器15、反馈控制器16构成；

信号发生器15与射频线圈12通过电路连接；

光电探测器14与反馈控制器16通过电路连接；

反馈控制器16根据光电探测器14传输的信号，对信号发生器15输出的射频场频率进行控制。

如图3所示，激光控制电路5由激光电流源7、温度控制器8构成，其中电流源7与温度控制器8直接控制半导体激光器4。

具体调节射频原子磁力仪进行交变磁场测量的方法是：

实施例中,待测交变磁场频率为1MHz，弱磁场探头2中碱金属原子采用铷-87原子，其旋磁比为7Hz/nT，铷原子饱和蒸汽的玻璃泡尺寸为Φ10×25mm。在使用过程中，先开启激光器控制电路5，其中激光电流源7使用美国Agilent公司生产的型号为B2912A的电流源，温度控制器8使用美国Thorlab公司生产的型号为TED200C的温度控制器，调节激光二极管的电流为1.3mA，温度为65℃，使半导体激光器4的波长稳定至794.984nm；将适用波长为794.9842nm的偏振片6垂直置于激光光束方向；半导体激光器4发射出的线偏振激光透过铷原子饱和蒸汽的玻璃泡，由高灵敏度硅光电二极管接收并转变为电压信号；调节弱磁场探头2，线偏振激光方向与待测交变磁场方向平行或垂直；调节磁场电流源11，使磁场线圈10产生稳定不变的静磁场，其值为10000nT；调节磁场线圈10，使磁场线圈10产生的静磁场方向与线偏振激光方向平行；调节射频线圈12，使射频线圈产生的射频场方向与待测交变磁场方向垂直；调节偏振片6与偏振分束棱镜13的光轴夹角为0°，使得信号发生器15未打开时，高灵敏度硅光电二极管接收到的光强值最大并记录此时高灵敏度硅光电二极管输出的电压值为2V；高灵敏度硅光电二极管将接收到的电压信号传输给反馈控制器16，调节反馈控制器16中的比例、积分、微分电路参数，对信号发生器15进行反馈控制，控制信号发生器15输出到射频线圈12的射频场频率大小，使其满足公式(2)-(4)的关系，并根据公式(4)与(5)实现对待测交变磁场的频率与磁感应强度测量。

上述提到的铷原子饱和蒸汽的玻璃泡为原子气室9。

上述提到的高灵敏度硅光电二极管为光电探测器14。

如图4所示，本发明获得的磁共振光谱由信号发生器15输出的信号频率(横坐标)与光电探测器14输出的电压值(纵坐标)表示。

上述结果为磁场线圈10产生10000nT静磁场且待测交变磁场频率ω₀为1MHz时获得的射频磁共振结果。

上述结果表明经过本发明后,磁场线圈10产生的静磁场与待测交变磁场频率ω₀不再需要满足公式(7),只需满足公式(4)。从而在不增大静磁场的情况下，实现了高频交变磁场的测量。

Claims (6)

1.一种新型射频原子磁力仪，其特征在于包括激光光源、弱磁场探头、信号处理电路；激光光源与弱磁场探头通过激光光路连接；弱磁场探头与信号处理电路通过电路连接；

所述的激光光源由半导体激光器、激光器控制电路、偏振片构成；

激光器控制电路控制半导体激光器发射出激光，激光依次经过偏振片、弱磁场探头；

激光器控制电路由激光电流源、温度控制器构成，其中激光电流源与温度控制器直接控制半导体激光器；

所述的弱磁场探头由原子气室、磁场线圈、磁场电流源、射频线圈、偏振分束棱镜、光电探测器构成；

激光光源发射出的激光依次透过原子气室和偏振分束棱镜，被光电探测器接收；

原子气室放置在磁场线圈和射频线圈内；

磁场线圈与磁场电流源通过电路连接；

所述的信号处理电路由信号发生器、反馈控制器构成；信号发生器与射频线圈通过电路连接；控制信号发生器控制射频线圈产生射频场；

光电探测器与反馈控制器通过电路连接；光电探测器将接收到的电压信号传输给反馈控制器；反馈控制器根据光电探测器传输的信号，对信号发生器输出的射频场频率进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种新型射频原子磁力仪，其特征在于原子气室由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成。

3.一种新型射频原子磁力仪的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)、调节射频原子磁力仪中的激光光源：

首先调节激光器控制电路中激光电流源、温度控制器，保持半导体激光器发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器发射出的激光波长与弱磁场探头中碱金属原子基态能级共振；将偏振片垂直置于激光光束方向，使得半导体激光器发出的激光转变为线偏振激光；

步骤(2)、调节射频原子磁力仪中的弱磁场探头：

将弱磁场探头置于待测交变磁场内，调节弱磁场探头，使线偏振激光依次经过原子气室和偏振分束棱镜并被光电探测器接收，同时线偏振激光方向与待测交变磁场方向平行或垂直；所述的原子气室位于磁场线圈与射频线圈间；

所述的磁场线圈产生的静磁场保持恒定不变，且静磁场方向与线偏振激光方向平行；

所述的射频线圈产生的射频场方向与待测交变磁场方向垂直；

所述的光电探测器将探测到的全部经过偏振分束棱镜的线偏振激光的光强值变化转变成电压值输出；

所述的射频线圈的信号接收端与信号发生器的信号输出端连接；

所述的偏振片与偏振分束棱镜的光轴呈一定夹角，使得信号发生器未打开时，光电探测器接收到的光强值最大，并记录此时光电探测器输出的电压值Y₀；

采用磁场电流源调节使磁场线圈产生恒定不变的静磁场；

步骤(3)、调节射频原子磁力仪中的信号处理电路：

反馈控制器接收光电探测器输出的电压值并控制信号发生器输出信号的频率，电压值、信号发生器输出的信号频率的关系如公式(1)：

其中，Y为光电探测器输出的电压值，ω为信号发生器输出的信号频率，π为圆周率，k为比例系数，υ为磁共振线宽，ω₀为待测交变磁场频率，B为磁场线圈产生的静磁场的磁感应强度，γ为碱金属原子的旋磁比；

待测磁场下,公式(1)中的Y值取两个最小极值Y_min1和Y_min2时，Y_min1和Y_min2分别对应ω₁与ω₂，见公式(2)、公式(3)：

ω₁＝ω₀-γB (2)

ω₂＝ω₀+γB (3)

待测交变磁场频率ω₀如公式(4)：

待测交变磁场的磁感应强度B₁如公式(5)：

其中，k₁为比例系数，可通过将射频原子磁力仪放入已知磁场值为B₀的标准磁场中确定。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于激光波长在偏振片、偏振分束棱镜、光电探测器的波长范围内。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于静磁场方向与激光传播方向平行。

6.根据权利要求3或4或5所述的方法，其特征在于射频原子磁力仪放入已知磁场值为B₀的标准磁场中时，公式(1)中的Y值取两个最小极值Y'_min1和Y'_min2，则k₁如公式(6)：

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