CN112485732B - 一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测量领域，公开了一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法与装置。装置包括第一激光源、第二激光源和设置在磁屏蔽筒内的原子气室、轴向线圈对和横向线圈对均；轴向线圈对用于在原子气室周围产生轴向磁场，横向线圈对用于在原子气室周围产生垂直于轴向的横向磁场；第一激光源和第二激光源输出激光被转化为圆偏振光后，分别作为探测光和反抽运光沿轴向入射至原子气室对原子进行充分激化，产生的磁共振谱被光电探测器探测，光电探测器的输出信号被数据采集装置采集；信号发生器和压控恒流源用于驱动横向线圈对产生交流横向磁场。本发明对弱磁场条件下磁强计的测量准确度和偏差进行校准，可以广泛用于弱磁场测量领域。

Description

一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法与装置

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法与装置。

背景技术

在1950年，法国物理学家Kastler在实验上利用圆偏振激光将原子制备到某一个暗态上，实现了原子的极化，该方案提出后，人们相继将该技术应用到磁力仪中，使得光泵原子磁强计迅速发展起来。

磁场测量的准确度及测量偏差在地质勘查、地震预测、心磁脑磁测量、工业领域及一些基础科学领域（包括核四极矩、电荷-宇称-时间反演对称性）有重大应用。随着商用磁强计产品的迭代更新，在使用环境、测量范围及测量精度都有突破。然而任何商用的磁强计设备在使用一段时间后，其准确度和测量误差会受外界环境及人为使用因素的影响下降，且存在零点漂移的问题，因此非常有必要使用一个校准元对其进行评估校准。

对于一般的商用磁强计不但存在零点漂移及测量准确度较差的问题，同时校准方式也较为复杂，一般需要经过以下几个步骤，首先在磁强计测量范围内选择大于7个校准点，均匀分布在所选的量程内，将被校准的磁强计探头放在待测磁场正中心位置（调节磁通门磁强计位置及探头角度使得呈现的数值最大，即认为探头磁轴与磁场线圈的磁轴完全平行），使用电流源输出电流，标准磁场值通过线圈常数与电流大小计算得到，此时依次记录不同电流下的的标准磁场值与磁强计测量值，并计算其磁场测量不准确度、零漂及偏差，或者将该磁强计放置于具有屏蔽外界磁场性能较好的磁屏蔽筒内进行置零操作，实现零磁校准。但此方法由于线圈物理发热、电流精度等不确定因素影响，导致标定的磁场值有一定的误差，因此校准磁强计时也存在一定的偏差。

因此，需要提出一种新的技术方案，以实现磁强计的高精度校准。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法与装置，以实现磁强计的精确校准。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，包括第一激光源、第二激光源、磁屏蔽筒、轴向线圈对，横向线圈对、铷钟、信号发生器、压控恒流源、原子气室、光电探测器和数据采集装置，

所述原子气室、轴向线圈对和横向线圈对均设置在磁屏蔽筒内；所述轴向线圈对用于在原子气室周围产生轴向磁场，所述横向线圈对用于在原子气室周围产生垂直于轴向的横向磁场；

所述第一激光器和第二激光器输出激光分别为795 nm和780nm，所述第一激光器和第二激光器发出的激光被转化为圆偏振光后，分别作为探测光和反抽运光沿轴向入射至所述原子气室使原子发生极化，产生的磁共振谱被所述光电探测器探测，所述光电探测器的输出信号被所述数据采集装置采集；

所述信号发生器用于输出交流驱动信号驱动压控恒流源，使其输出交流电流信号驱动所述横向线圈对产生交流横向磁场，还用于对所述横向线圈对产生的交流横向磁场进行扫频；所述铷钟用于驱动所述信号发生器，控制所述信号发生器输出信号的稳定度。

所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，还包括第一饱和吸收光谱装置和第二饱和吸收光谱装置，所述第一饱和吸收光谱装置和第二饱和吸收光谱装置分别用于测量得到铷原子的D1线饱和吸收谱和D2线饱和吸收谱，并通过得到的饱和吸收谱，将第一激光器和第二激光器的激光频率锁定在铷原子的D1和D2超精细跃迁能级上。

所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，还包括第一格兰泰勒棱镜、第一四分之波片、第二格兰泰勒棱镜、第二四分之波片和双色片；

所述第一激光器发出的激光依次经所述第一格兰泰勒棱镜、第一四分之波片后变成圆偏振光，所述第二激光器发出的激光依次经所述第二格兰泰勒棱镜、第二四分之波片后变成圆偏振光，两束圆偏振光经所述双色片后后合为一束，经所述望远镜系统后入射至原子气室。

所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，还包括望远镜系统、所述望远镜系统设置在双色片与磁屏蔽筒，用于对探测光和反抽运光进行扩束。

所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，还包括无磁加热装置、电流源、干涉滤波片和垃圾堆，所述干涉滤波片用于使从所述原子气室中出射的激光中的780nm反抽运光反射至垃圾堆（23）吸收，795nm探测光入射至光电探测器，所述数据采集装置包括示波器和频率计；

所述原子气室内壁镀有石蜡膜，所述无磁加热装置设置在原子气室上，用于对原子气室进行恒温控制，所述电流源用于向轴向线圈对提供激励电流。

所述反抽运光和探测光的功率范围均为50-300 µW，所述轴向线圈对与横向线圈对在原子气室的中心区域空间产生的磁场的内不均匀度低于0.05%。

本发明还提供了一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，采用所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置实现，包括以下步骤：

S1、将第一激光源的输出激光频率锁定在铷85原子D1线Fg=3-Fe=2超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz；第二激光源输出激光频率锁定在铷85原子D2线Fg=2-Fe=2超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz；

S2、通过外部消磁操作对整个磁屏蔽筒进行消磁，确保桶内剩磁低于2nT；

S3、驱动轴向线圈对产生轴向磁场；同时通过铷钟、信号发生器和压控恒流源驱动所述横向线圈对产生横向磁场，并对横向磁场进行频率扫描；

S4、通过光电探测器探测探测光的强度变化信号得到信号坑，并通过数据采集装置对信号坑进行洛伦兹拟合得到信号坑坑底对应的横向交变磁场频率，即为射频共振频率；

S5、改变轴向线圈对的驱动电流，重复步骤S3~S4，得到不同轴向驱动电流下的射频共振频率，并计算得到多个轴向驱动电流下的主磁场强度；

S6、将第一激光源的输出激光频率锁定在铷87原子D1线F_g=2-F_e=1超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz；第二激光源输出激光频率锁定在87原子D2线F_g=1-F_e=1，保证其频率漂移小于1MHz；

S7、重复上述步骤S2~S5，得到各个轴向驱动电流下的主磁场强度；

S8、对轴向线圈对加载与步骤S5和步骤S7中相同的轴向驱动电流，利用待校准的磁强计在原子气室所在位置进行测量，通过步骤S5和步骤S7得到的主磁场强度，对待测磁强计的测量数据进行校准。

所述步骤S2中，对磁屏蔽筒进行消磁的具体方法为：给绕在磁屏蔽筒内的消磁线圈施加频率为 50Hz交流电，逐渐减小交流电电流大小直至为零；

所述步骤S3中，对横向磁场进行频率扫描时，频率扫描范围不超过100kHz，扫描时间为1s，所述横向磁场的磁场强度小于100nT。

所述步骤S5和步骤S7中，计算主磁场强度的公式为：

，

其中

表示射频共振频率，

表示基态超精细能级所对应的旋磁比，其中，对于85原子F_g=3来说，

=4.66743 Hz/nT,对于铷87原子F_g=2来说，

=6.99583 Hz/nT，B表示主磁场强度。

所述步骤S8中，通过步骤S5和步骤S7得到的主磁场强度，对待测磁强计的测量数据进行校准的具体方法为：将步骤S5和步骤S7得到的同一轴向驱动电流下的主磁场强度的平均值，作为该驱动电流下磁场强度的最终值，对该驱动电流下待测磁场计的测量值进行校准。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供一种采用铷原子磁共振谱校准磁强计的方法与装置，同时同步使用两种同位素原子进行测量标定校准，且通过计算得知原子基态不同超精细能级对应的精确旋磁比值，相比当前铯原子或氦原子进行的测磁方案更加有效可靠，加之有效的石蜡镀膜技术，其磁共振信号可实现kHz量级的测量，结合数字采样系统可保证0.1 nT磁场精度的识别，有效解决了在5 μT至100 μT弱磁场测量时，霍尔磁强计和磁通门磁强计测量准确度较差、零漂问题制约测量准确度和测量偏差的问题。而通过铷原子磁共振信号测量的磁场，其准确度较高，没有零漂的问题，因此可以对弱磁场条件下霍尔磁强计和磁通门磁强计的测量准确度和偏差进行校准，为磁场精确测量提供了保障，可以广泛用于弱磁场测量领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置的结构示意图；

图2为本发明在目标铷原子气室中只使用一束抽运激光795 nm通过调谐不同激光频率得到的磁共振光谱信号；

图3为本发明在目标铷原子气室中通过另外增加反抽运激光束780 nm得到的磁共振光谱增强信号（即表现为信号幅度与信噪比的增强）；

图4为本发明在抽运激光频率共振于铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁，反抽运激光频率共振于铷85原子D2线（F_g=2）-（F_e=2），不同轴向磁场强度下得到的磁共振信号；

图5为本发明在抽运激光频率共振于铷87原子D1线（F_g=2）-（F_e=1）超精细跃迁，反抽运激光频率共振于时铷87原子D2线（F_g=1）-（F_e=1）超精细跃迁时，不同主磁场强度下得到的磁共振信号；

图6为本发明在不同主磁场线圈电流下利用铷原子磁共振信号标定的磁场均值及其拟合直线；

图7为本发明实施例中，通过磁通门磁强计得到的轴向磁场测量值与铷原子磁共振信号标定的轴向磁场值对比结果；

图8为本发明实施例中，通过霍尔磁强计测量得到的磁场与磁共振信号标定磁场的对比结果。

图1中，1为第一激光源，2为第一偏振分束片，3为第一饱和吸收光谱装置，4为第一格兰泰勒棱镜，5为第一四分之波片，6为第二激光源，7为第二偏振分束片，8为第二饱和吸收光谱装置，9为第二格兰泰勒棱镜，10为第二四分之波片，11为双色片，12为望远镜系统，13为低噪声精密电流源，14为铷钟，15为信号发生器，16为压控恒流源，17为磁屏蔽筒，18为轴向线圈对，19为横向线圈对，20为原子气室，21为无磁加热装置，22为干涉滤波片，23为垃圾堆，24为光电探测器，25为数字荧光示波器，26为频率计。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，包括第一激光源1、第一饱和吸收光谱装置3、第二饱和吸收光谱装置4、第二激光源6、第一偏振分束片2、第二偏振分束片7、第一格兰泰勒棱镜4、第一四分之波片5、第二格兰泰勒棱镜9、第二四分之波片10和双色片11、望远镜系统12、磁屏蔽筒17、轴向线圈对18，横向线圈对19、铷钟14、信号发生器15、压控恒流源16、原子气室20、干涉滤波片22、垃圾堆23、光电探测器24、示波器和频率计26。

如图1所示，所述原子气室20、轴向线圈对18和横向线圈对19均设置在磁屏蔽筒17内；所述轴向线圈对18用于在原子气室20周围产生轴向磁场，所述横向线圈对19用于在原子气室20周围产生垂直于轴向的横向磁场。

如图1所示，所述第一激光源1和第二激光源6输出激光分别为795nm和780nm，所述第一激光源1发出的激光经第一偏振分束片2后分为两束，一束被第一饱和吸收光谱装置3接收，所述第一饱和吸收光谱装置3用于测量得到铷原子的D1线饱和吸收谱，并通过得到的饱和吸收谱，对第一激光源的激光频率进行锁定；另一束经所述第一格兰泰勒棱镜4、第一四分之波片5后变成圆偏振光。第二激光源6发出的激光经第二偏振分束片7后分为两束，一束被第二饱和吸收光谱装置8接收，第二饱和吸收光谱装置用于测量得到铷原子D2线饱和吸收谱，并通过得到的饱和吸收谱，对第二激光源的激光频率进行锁定；另一束经依次经所述第二格兰泰勒棱镜9、第二四分之波片10后变成圆偏振光，两束圆偏振光经所述双色片11后后合为一束，经所述望远镜系统12进行扩束后入射至原子气室20。其中，795nm和780nm的激光分为作为探测光和反抽运光沿轴向入射至原子气室20，与原子气室20中的铷原子进行作用。从原子气室20另一端输出的780nm反抽运激光被干涉滤波片22反射至垃圾堆23吸收，795nm探测光入射至光电探测器24，光电探测器24输出的信号被示波器25接收，其中示波器可以为数字荧光示波器，频率计26用于磁共振信号所对应的交变磁场频率的实时记录。

本实施例中，通过饱和吸收光谱对探测光和反抽运光的频率进行锁定，锁定后的频率漂移小于1MHz，这样可以减小磁共振信号线宽受激光频率不稳定性的影响。高消光比的格兰泰勒棱镜及四分之波片可以实现空间具有高偏振度的相同圆偏振激光束输出。

其中，所述信号发生器15用于输出交流驱动信号驱动压控恒流源16，使其输出交流电流信号驱动所述横向线圈对19产生交流横向磁场，还用于对所述横向线圈对19产生的交流横向磁场进行扫频；所述铷钟用于驱动所述信号发生器，控制所述信号发生器输出信号的稳定度。

进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，还包括无磁加热装置21和电流源13，所述原子气室20内壁镀有石蜡膜，所述无磁加热装置21设置在原子气室20上，用于对原子气室20进行恒温控制，所述电流源13用于向轴向线圈对18提供轴向驱动电流。具体地，本实施例中，所述无磁加热装置21为柔性薄膜电加热片。

具体地，本实施例中，电流源13应为低噪声的电流源，这样可保证稳定精确的轴向磁场输出，避免因轴向磁场的不稳定性导致的磁共振信号线宽的展宽，破坏轴向磁场测量的准确度。本实施例所使用的低噪声电流源，其输出电流在±100 mA 量程内，其编程解析度为100 nA，输出精度（（增益误差（读数的%）+偏移误差））为±（0.02%+20 uv），噪声峰峰值≤600 nA。

具体地，本实施例中，信号发生器15的输出波形具有12 bit 的垂直分辨率，其输出的频率准确度为百万分之5，也就是每日引起的走时误差为0.432 s。为保证信号发生器的高稳定度输出，使用具有更高频率精度的铷钟驾驭信号源，其秒稳的阿伦方差为2×10^-11，远高于信号发生器的输出稳定度，从而可以充分保证横向交变磁场的准确度。

具体地，本实施例中，原子、磁场、光场相互作用的区域应放置在具有极好屏蔽外界环境磁场性能的位置，因此，所述原子气室20、轴向线圈对18和横向线圈对19均设置在磁屏蔽筒17内。该磁屏蔽筒17为六层结构，一端封底，另一端为活盖，内层为环氧管，外层为铝层，中间为四层高导磁坡莫合金，屏蔽筒中心在很大空间内的剩磁接近零磁，这样可避免外界环境杂散磁场对磁共振信号共振频率的干扰，影响轴向磁场的标定。本实施例中，采用现有技术中广泛应用的磁屏蔽筒，因此再次对其结构不做赘述。

具体地，本实施例中，利用高效率的光电探测器将随横向交变磁场扫描频率变化的探测光强变化信号同时收集在数字荧光示波器及频率计。基于光强数据变化的精确读取，采用的示波器为数字荧光示波器，其在数据收集通道可实现高达20 Gs/s的实时采样率，抖动测量达1 PSRMS，数据采集平均次数设置64次，实现同一数据采集下的信号多次采集求平均，这样可避免单次磁场标定具有的偶然性。

此外，目前公开的文献著作中关于使用提纯的铷原子系综做的相关磁强计，涉及的磁共振信号或磁偶极矩与角动量之间的联系，所使用的基态超精细能级的旋磁比值大小一致，例如对于铷85原子的Fg=3与Fg=2，默认其值为4.7 Hz/nT；铷87原子的Fg=2与Fg=1，默认其值为7 Hz/nT。而本实施例中，为更准确地标定磁场值，对于铷85原子超精细能级Fg=3与Fg=2，通过计算得到其精确值分别为4.66743 Hz/nT、4.69538 Hz/nT；对于铷87原子超精细能级Fg=2与Fg=1，其精确值分别为6.99583 Hz/nT，7.02369 Hz/nT。这样可以通过识别的磁共振信号所对应的频率及不同超精细能级的旋磁比值，计算标定相应的磁场值。

进一步地，本发明提供的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，可以用于对磁通门磁强计与霍尔磁强计进行校准，具体地，本发明实施例中，被校准的磁通门磁强计测量范围为±100µT；霍尔磁强测量范围为3.5µT-35 T。

具体地，本实施例中，所述反抽运光和探测光的功率范围为50-300 µW；本实施例中，为实现信噪比较好的磁共振信号，抽运光及反抽运光均为弱光场（50-300 µW），单次穿过目标原子气室，通过扫描激光频率可明显看到与原子相互作用后的光场强度的显著变化。所述轴向线圈对与横向线圈对在原子气室20的中心区域空间产生的磁场的不均匀度低于0.05%。

具体地，本实施例中，轴向线圈对18和横向线圈对21通过等间距绕制，且线圈产生的均匀磁场覆盖区域长度为19 cm，而原子气室长度仅为5 cm，这样可保证原子气室区域内的磁场均匀分布，轴向线圈与横向线圈的半径为8 cm，这样可满足横向百kHz交变磁场的产生，匝数可尽可能多，线圈距离尽可能小，这样可避免磁场梯度引起的磁共振信号线宽展宽。磁场大小可在较大范围内线性调节，且不会带来明显的线圈发热现象，横向线圈同时还须具备可施加交变电流的性能，且产生的横向射频信号功率在较弱范围内可进行调节，以寻求最佳的磁共振信号制备条件。

具体地，本实施例中，探测光与反抽运光进入原子气室20与原子相互作用之前，须经过整形、起偏，选偏及扩束，使光斑大小与原子气室的横截面积相当，且激光功率可调。本实施例中，望远镜系统12（由前后焦距一短一长（f=60mm，f=200mm）的透镜组成）进行扩束，使其光斑大小（直径=7.3mm）与原子气室20通光窗口尽量相当，这样可保证光场与原子的充分极化；一般地，为实现信噪比较好的磁共振信号，抽运光及反抽运光均为弱光场（50-300µW），单次穿过目标原子气室，通过扫描激光频率可明显看到与原子相互作用后的光场强度的显著变化。

本发明实施例中，利用一束共振于原子某一跃迁线的795 nm圆偏振抽运激光束（

或

），对原子的自旋态进行暗态的制备。在近零场环境中，施加一定的轴向直流磁场及横向交变磁场，通过光场、原子、磁场的相互作用关系，实现该频率下的磁共振信号探测。由于磁共振信号的信噪比与磁场标定的准确度正相关，为提高磁场标定的准确度，本发明实施例通过引入另外一束频率不同，偏振相同的780 nm反抽运激光进行深度极化实现磁共振信号的增强探测。此外，通过优化射频功率、激光光强、光斑大小及激光偏振度等参数，结合数字荧光示波器与频率计的使用可精准定位不同主磁场下的磁共振频率。采用铷85和铷87天然丰度的铷原子气室，分别测量两同位素的磁共振信号，二者可相互支持校准抽运光（同时也是探测光）波矢量方向上的直流磁场，从而为磁通门磁强计及霍尔磁强计的测量提供了一个基准，有利于评估该磁强计的磁场测量准确度和测量偏差，同时可根据校准因子推算其测量的准确磁场值。

当第一束圆偏振的抽运激光频率共振于铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁时，在相同实验条件下，其磁共振信号信噪比最优，再辅助以另外一束反抽运激光（激光频率对应铷85原D2线（F_g=2）-（F_e=2）超精细跃迁)将第一束激光泵浦后自发辐射回落至F_g=2态的原子继续抽运，使原子充分极化，得到更高信噪比的磁共振信号。相应地，对于铷87原子，当激光频率分别共振于铷87原子D1线（F_g=2）-（F_e=1）超精细跃迁，其磁共振信号最强，同样使用第二束反抽运激光（激光频率对应铷87原D2线（F_g=1）-（F_e=1）超精细跃迁）可实现原子的深度极化。这里第一束抽运激光束同时也是探测光，第二束反抽运激光只作为深度极化原子的作用，不作为探测光使用。

本发明实施例提供的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置，其通过高信噪比且窄线宽的磁共振信号探测，其必要条件之一为目标原子气室内须具有较高的原子数密度，确保原子与光场的充分作用。因此需要对原子气室进行充分加热控温，为了不引入额外的磁场，本实施例采用无磁加热的技术进行控温，该技术利用柔性薄膜电加热片，由于其内部走线的特殊设计，外加的射频信号驱动下所产生的磁场会抵消，通过热电偶传感元件及比例积分放大电路的结合实现原子气室的精确无磁控温。根据原子气室的形状及尺寸，采用聚四氟乙烯材料设计与原子气室形状匹配的炉子，可以尽可能的保证除原子气室的冷凝嘴外，其它部位可被均匀加热。

目前，通过碱金属原子实现的光泵极化原子方案中，主要用到的碱金属原子有钾原子、铯原子及氦原子。由于钾原子的昂贵特殊性，不作为该用途的最佳选择。铯原子与氦原子在自然界没有同位素，用其制备磁共振光谱信号时，只能通过一种原子进行标定校准，这样使得测量的磁场可能具有偶然性和误差性。而天然丰度下的铷原子具有铷85和铷87两种同位素，很容易通过光泵作用实现原子的充分极化，进而得到明显的磁共振信号，实现一种实验下两种校准源同时完成对磁场的精确测量标定。

而且，原子经过圆偏振光的抽运极化后，从基态跃迁到激发态，对于其本身而言，由于自发辐射或者是原子与原子或原子与其他缓冲气体或原子与气壁的碰撞都会导致从激发态回落到稳定的基态，使得基态的原子布局数重新均匀分布，导致极化被破坏。原子发生去极化的过程又称为自旋弛豫过程。一般地，可以通过气室内壁镀石蜡或其他有机高分子镀膜（OTS），降低原子的热运动与高硼硅玻璃气室内壁碰撞过程中的自旋破坏率，使极化后的原子与内壁多次发生碰撞后仍能保持极化，但又不引起光磁共振信号中心频率的碰撞频移。虽然对碱金属气室充有缓冲气体也可限制原子的运动范围，降低原子的平均自由程，进而减小与气室壁的碰撞，但在一定条件下，缓冲气体的加入使得原子气室各原子之间的自旋破坏碰撞展宽现象变严重，因此缓冲气体的量及原子气室的温度应严格把控；且充有缓冲气体的气室存在一定的磁共振频率频移，也不适用于标定磁场的用途。因此，对于应用于磁测和二次频率标准，镀石蜡的气室具有更低的激光功率要求的好处，还有益于原子的均匀运动。因此在这里将其作为最佳的原子选择气室类型。

此外，本发明实施例还提供了一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，采用图1所示的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准装置实现，校准前需要搭建图1所示的装置。

795 nm激光源1输出激光经过偏振分束片2分出一部分激光，利用饱和吸收光谱装置3可以将激光频率稳定锁至铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz。通过高消光比的格兰泰勒棱镜4及四分之波片5实现空间上具有高偏振度的圆偏振激光束输出。另外一束780 nm激光源6输出激光经过偏振分束片7分出一部分激光利用另一套饱和吸收光谱装置8将激光频率稳定锁在铷85原子D2线（F_g=2）-（F_e=2）超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz。通过一定角度放置双色片11，使得780 nm激光反射795 nm激光透射，二者在空间上光路重合。

将两光束通过望远镜系统12（由前后焦距一短一长（f=60mm，f=200mm）的透镜组成）进行扩束，使其光斑大小（直径=7.3mm）与原子气室20通光窗口尽量相当，这样可保证光场与原子的充分极化。

设计加工合适的轴向线圈18和横向线圈19，以便其可以放入多层磁屏蔽筒17中心，轴向线圈与横向线圈产生的磁场放置在原子气室20的中心区域（长度5 cm），使其空间内不均匀度低于0.05%，且两方向磁场均可在大范围磁场内进行调谐，横向射频线圈还要满足可加交变电流的条件（Hz~百kHz）。

依据所使用的气室结构设计合理的无磁控温炉子，同时采用无磁加热的装置21给原子气室20进行加温，由于本实施例使用的原子气室内壁镀有石蜡，为避免破坏镀膜，因此选择将气室温度控制在45℃，这样可提高原子的数密度，提高磁共振信号的信噪比。将包裹原子气室的控温炉子放置在两线圈的正中心位置，依次将两线圈放入磁屏蔽筒中心位置处，通过外部消磁操作对整个磁屏蔽装置进行消磁，即通过“交流消磁法”即给绕在屏蔽筒内的消磁线圈施加频率为 50Hz交流电，逐渐减小交流磁场直至为零，确保筒内剩磁低于2nT，使原子光场磁场相互作用处于一个近零磁场的空间环境。

将直径为7.3 mm的具有高偏振度的圆偏振激光束（功率为200µW）径直穿过原子气室（即沿磁屏蔽筒中心轴），在筒的另一侧对激光进行收集探测，通过一定角度放置795 nm干涉滤波片22，使得780 nm反抽运激光全部反射被垃圾堆23吸收，使得795 nm的探测光全部透射打到光电探测器24，将光信号的吸收透射变化输出至数字荧光示波器25及频率计26中同时进行数据采集分析。

利用低噪声的电流源13通过轴向线圈提供一个稳定的轴向磁场，通过高精度的信号发生器15与压控恒流源16结合输出交变的微弱横向磁场（100nT以内），信号发生器产生的信号稳定度由铷钟14驱动保证，信号发生器扫描频率范围需覆盖轴向磁场作用下所对应的原子做自旋进动的拉莫尔频率，且为保证射频频率的精度，频率扫描范围不超过100kHz,扫描时间为1s。

通过分析探测器获取的激光强度变化信号，在扫描频率范围内有一个具有一定线宽的坑，该信号坑主要是由于各个方向做布朗运动的原子对光频率的感知不同，因此呈现多普勒展宽的洛伦兹线性，通过对该信号进行洛伦兹拟合精确读取坑底对应的横向交变磁场频率，此频率即为该轴向磁场下的射频共振频率

。利用公式

可以求得真实的主磁场B，其中γ为基态超精细能级所对应的旋磁比，其中γ₈₅(F_g=3)=4.66743 Hz/nT, γ₈₇(F_g=2)=6.99583 Hz/nT。

将抽运激光频率锁定至铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁，同时相应地将反抽运激光频率锁定至铷85原子D2线（F_g=2）-（F_e=2）超精细跃迁，改变轴向磁场的大小及横向磁场的扫描频率范围，多次记录标定不同电流下的轴向磁场大小，同时分别用磁通门磁强计及霍尔磁强计在该电流下相同位置处进行测量比较。

重复以上操作将抽运激光频率快速切换锁定至铷87原子D1线（F_g=2）-（F_e=1）超精细跃迁，同时相应地将反抽运激光频率锁定至铷87原子D2线（F_g=1）-（F_e=1）超精细跃迁，重复进行以上测量。为保证数据的有力可靠性，应在短时间内快速切换抽运激光及反抽运激光的频率完成对铷85 原子及铷87 原子的磁共振信号的测量，这样可保证外界不确定因素的干扰，以实现两同位素原子的磁共振信号相互校准测量。从拟合数据结果推算铷85原子及铷87原子下测量得到的横向交变磁场频率是否接近一致。并给出本技术装置通过两同位素原子磁共振信号标定磁场的测量准确度及偏差。

如图2所示，为本发明实施例中，在目标铷原子气室中只使用一束抽运激光795 nm通过调谐不同激光频率得到的磁共振光谱信号，其中（a）对应的是铷85原子的磁共振光谱信号，上图和下图分别对应抽运激光频率共振于铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=3）、（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁线；（b）对应的是铷87原子的磁共振光谱信号，上图和下图分别对应抽运激光频率共振于铷87原子D1线（F_g=2）-（F_e=2）、（F_g=2）-（F_e=1）超精细跃迁线。图3为本发明在目标铷原子气室中通过另外增加反抽运激光束780 nm得到的磁共振光谱增强信号，其中，（a）上图对应的是抽运激光频率共振于铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁，反抽运激光频率共振于铷85原子D2线（F_g=2）-（F_e=2）时得到的磁共振信号，下图表示只有其中一束抽运激光束的结果；（b）上图对应的是抽运激光频率共振于铷87原子D1线（F_g=2）-（F_e=1）超精细跃迁，反抽运激光频率共振于铷87原子D2线（F_g=1）-（F_e=1）时得到的磁共振信号，下图表示只有相应的一束抽运激光束的结果；结果显示通过增加反抽运光，大大提高了磁共振光谱信号的幅度与信噪比。

如图4所示，为本发明在抽运激光频率共振于铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁，反抽运激光频率共振于铷85原子D2线（F_g=2）-（F_e=2），不同轴向磁场下得到的磁共振信号。图5为本发明在抽运激光频率共振于铷87原子D1线（F_g=2）-（F_e=1）超精细跃迁，反抽运激光频率共振于时铷87原子D2线（F_g=1）-（F_e=1）超精细跃迁时，不同主磁场下得到的磁共振信号。图6为本发明实施例中在不同主磁场线圈电流下利用铷原子磁场共振信号标定的磁场均值及其拟合直线，得到其拟合方程为B=0.1264*I；由于磁屏蔽筒在消磁后剩余磁场低于1 nT，故可认为本发明的磁屏蔽筒中近似处于无磁环境。图7为本发明实施例中在磁通门磁强计测量磁场与磁共振信号标定磁场的关系，给出了拟合斜率小于1，说明磁通门磁强计测量值与真实磁场测量值相比偏低。图8为本发明实施例中通过霍尔磁强计测量磁场与磁共振信号标定磁场的关系，给出了拟合斜率大于1，说明霍尔磁强计测量值与真实磁场测量值相比偏高。

表1为本发明实施例利用铷85原子与铷87原子磁共振信号同时测量标定的磁场值及相对误差。

表1：铷85原子与铷87原子磁共振信号标定的磁场值

表2为本发明利用磁通门磁强计测量得到的磁场值，及相对磁共振信号标定的磁场值的偏差及相对偏差。

表2：磁通门磁强计相对于铷原子磁共振谱测量磁场的性能评估

表3为本发明利用霍尔磁强计测量得到的磁场值，及相对磁共振信号标定的磁场值的偏差及相对偏差。

表3霍尔磁强计相对于铷原子磁共振谱测量磁场的性能评估

上述数据表明，本发明实施例的校准精度较高，可以对弱磁条件下的磁强计进行校准。

因此，本发明实施例提供的校准方法包括以下步骤：

S1、将第一激光源1的输出激光频率锁定在铷85原子D1线Fg=3-Fe=2超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz；第二激光源6输出激光频率锁定在铷85原子D2线Fg=2-Fe=2超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz。

S2、通过外部消磁操作对整个磁屏蔽筒17进行消磁，确保桶内剩磁低于2nT；对磁屏蔽筒17进行消磁的具体方法为：给绕在磁屏蔽筒17内的消磁线圈施加频率为 50Hz交流电，逐渐减小交流电流大小直至为零，初始交流电流为10A或者16A均可；

S3、驱动轴向线圈对产生轴向磁场；同时通过铷钟14、信号发生器15和压控恒流源16驱动所述横向线圈对19产生横向磁场，并对横向磁场进行频率扫描；其中，对横向磁场进行频率扫描时，频率扫描范围不超过100kHz，扫描时间为1s，所述横向磁场的磁场强度小于100 nT。

S4、通过光电探测器24探测探测光的强度变化信号得到信号坑，并通过数据采集装置对信号坑进行洛伦兹拟合得到信号坑坑底对应的横向交变磁场频率，即为射频共振频率；

S5、改变轴向线圈对的驱动电流，重复步骤S3~S4，得到不同轴向驱动电流下的射频共振频率，并计算得到个轴向驱动电流下的主磁场强度；

S6、将第一激光源1的输出激光频率锁定在铷87原子D1线F_g=2-F_e=1超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz；第二激光源6输出激光频率锁定在87原子D2线F_g=1-F_e=1，保证其频率漂移小于1MHz；

S7、重复上述步骤S2~S5，得到多个轴向驱动电流下的主磁场强度；

S8、对轴向线圈对加载与步骤S5和步骤S7中相同的轴向驱动电流，利用待校准的磁强计在原子气室20所在位置进行测量，通过步骤S5和步骤S7得到的主磁场强度，对待测磁强计的测量数据进行校准。

所述步骤S8中，通过步骤S5和步骤S7得到的主磁场强度，对待测磁强计的测量数据进行校准的具体方法为：将步骤S5和步骤S7得到的同一轴向驱动电流下的主磁场强度的平均值，作为该驱动电流下磁场强度的最终值，对该驱动电流下待测磁场计的测量值进行校准。

所述步骤S5和步骤S7中，计算主磁场强度的公式为：

；（1）

其中

表示射频共振频率，

表示基态超精细能级所对应的旋磁比，其中，对于85原子F_g=3来说，

=4.66743 Hz/nT,对于铷87原子F_g=2来说，

=6.99583 Hz/nT，B表示主磁场强度。

本发明的工作原理如下：本发明通过分别将第一束抽运激光（探测光）切换锁定在铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁和铷87原子D1线（F_g=2）-（F_e=1）超精细跃迁，相应地，第二束反抽运激光频率切换至铷85原D2线（F_g=2）-（F_e=2）超精细跃迁及铷87原子D2线（F_g=1）-（F_e=1）超精细跃迁，实现两种同位素原子的磁共振信号测量。以铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁为例，在热平衡状态下，原子服从玻尔兹曼分布，各原子在各塞曼子能级的分布是均匀的。当一束频率共振于铷85原子D1线（F_g=3）-（F_e=2）超精细跃迁的左旋圆偏振激光作用于原子气室后，根据选择定则

的两个塞曼子能级可以产生跃迁，因此基态F_g=3的粒子会被泵浦至F_e=2态上，由于激发态的不稳定，导致粒子自发辐射回落到F_g=3或F_g=2态上，回落到F_g=3态的粒子经过反复抽运，最后使得大部分的粒子数布局到F_g=3(m_F=+2和m_F=+3)态上，实现原子的自旋极化；回落至F_g=2态的原子经过反抽运激光频率（共振于铷85原D2线（F_g=2）-（F_e=2）超精细跃迁）继续将原子抽运，实现原子的充分极化。此时，原子系综不再吸收光场，激光透射最强。接着，当引入一个频率与亚稳态塞曼能级频率差相等的横向交变磁场时，处于F_g=3(m_F=+2和m_F=+3)的粒子会重新均匀分布到其它各塞曼子能级上，最终导致各塞曼子能级没有离子数差，极化效果被打乱。当横向交变磁场的频率完全等于塞曼子能级差时，对泵浦光的吸收最强，透射光场最弱。因此通过判断透射光强的值可确定射频场的频率，进而通过不同超精细能级朗德g因子的精确值推算得到引起塞曼能级分裂的主磁场准确值。

本发明实验原理简单，操作方便，主要特点为同时同步使用两种同位素原子进行测量标定校准，且通过计算得知原子基态不同超精细能级对应的精确旋磁比值，相比当前铯原子或氦原子进行的测磁方案更加有效可靠。加之有效的石蜡镀膜技术，其磁共振信号可实现kHz量级的测量结合数字采样系统可保证0.1 nT磁场精度的识别，为磁场精确测量提供了保障。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，基于磁强计校准装置实现，所述磁强计校准装置包括第一激光源（1）、第二激光源（6）、磁屏蔽筒（17）、轴向线圈对（18），横向线圈对（19）、铷钟（14）、信号发生器（15）、压控恒流源（16）、原子气室（20）、光电探测器（24）和数据采集装置，

所述原子气室（20）、轴向线圈对（18）和横向线圈对（21）均设置在磁屏蔽筒（17）内；所述轴向线圈对（18）用于在原子气室（20）周围产生轴向磁场，所述横向线圈对（19）用于在原子气室（20）周围产生垂直于轴向的横向磁场；

所述第一激光源（1）和第二激光源（6）输出激光分别为795 nm和780nm，所述第一激光源（1）和第二激光源（6）发出的激光被转化为圆偏振光后，分别作为探测光和反抽运光沿轴向入射至所述原子气室使原子发生极化，产生的磁共振谱被所述光电探测器探测，所述光电探测器的输出信号被所述数据采集装置采集；

所述信号发生器（15）用于输出交流驱动信号驱动压控恒流源（16），使其输出交流电流信号驱动所述横向线圈对（19）产生交流横向磁场，还用于对所述横向线圈对（19）产生的交流横向磁场进行扫频；所述铷钟用于驱动所述信号发生器，控制所述信号发生器输出信号的稳定度；

包括以下步骤：

S1、将第一激光源（1）的输出激光频率锁定在铷85原子D1线Fg=3-Fe=2超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz；第二激光源（6）输出激光频率锁定在铷85原子D2线Fg=2-Fe=2超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz；

S2、通过外部消磁操作对整个磁屏蔽筒（17）进行消磁，确保桶内剩磁低于2nT；

S3、驱动轴向线圈对产生轴向磁场；同时通过铷钟（14）、信号发生器（15）和压控恒流源（16）驱动所述横向线圈对（19）产生横向磁场，并对横向磁场进行频率扫描；

S4、通过光电探测器（24）探测探测光的强度变化信号得到信号坑，并通过数据采集装置对信号坑进行洛伦兹拟合得到信号坑坑底对应的横向交变磁场频率，即为射频共振频率；

S5、改变轴向线圈对的驱动电流，重复步骤S3~S4，得到不同轴向驱动电流下的射频共振频率，并计算得到多个轴向驱动电流下的主磁场强度；

S6、将第一激光源（1）的输出激光频率锁定在铷87原子D1线F_g=2-F_e=1超精细跃迁，保证其频率漂移小于1MHz；第二激光源（6）输出激光频率锁定在87原子D2线F_g=1-F_e=1，保证其频率漂移小于1MHz；

S7、重复上述步骤S2~S5，得到各个轴向驱动电流下的主磁场强度；

S8、对轴向线圈对加载与步骤S5和步骤S7中相同的轴向驱动电流，利用待校准的磁强计在原子气室（20）所在位置进行测量，通过步骤S5和步骤S7得到的主磁场强度，对待测磁强计的测量数据进行校准。

2.根据权利要求1所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，所述磁强计校准装置还包括第一饱和吸收光谱装置和第二饱和吸收光谱装置，所述第一饱和吸收光谱装置和第二饱和吸收光谱装置分别用于测量得到铷原子的D1线饱和吸收谱和D2线饱和吸收谱，并通过得到的饱和吸收谱，将第一激光源和第二激光源的激光频率锁定在铷原子的D1和D2超精细跃迁能级上。

3.根据权利要求1所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，所述磁强计校准装置还包括第一格兰泰勒棱镜（4）、第一四分之波片（5）、第二格兰泰勒棱镜（9）、第二四分之波片（10）和双色片（11）；

所述第一激光源（1）发出的激光依次经所述第一格兰泰勒棱镜（4）、第一四分之波片（5）后变成圆偏振光，所述第二激光源（1）发出的激光依次经所述第二格兰泰勒棱镜（9）、第二四分之波片（10）后变成圆偏振光，两束圆偏振光经所述双色片（11）后合为一束，并入射至原子气室（20）。

4.根据权利要求3所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，所述磁强计校准装置还包括望远镜系统（12）、所述望远镜系统（12）设置在双色片（11）与磁屏蔽筒（17）之间，用于对探测光和反抽运光进行扩束。

5.根据权利要求1所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，所述磁强计校准装置还包括无磁加热装置（21）、电流源（13）、干涉滤波片（22）和垃圾堆（23），所述干涉滤波片用于使从所述原子气室（20）中出射的激光中的780nm反抽运光反射至垃圾堆（23）吸收，795nm探测光入射至光电探测器（24），所述数据采集装置包括示波器（25）和频率计（26）；

所述原子气室（20）内壁镀有石蜡膜，所述无磁加热装置（21）设置在原子气室（20）上，用于对原子气室（20）进行恒温控制，所述电流源（13）用于向轴向线圈对（18）提供激励电流。

6.根据权利要求1所述的一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，所述反抽运光和探测光的功率范围均为50-300 µW，所述轴向线圈对与横向线圈对在原子气室（20）的中心区域空间产生的磁场的不均匀度低于0.05%。

7.根据权利要求1所述一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，所述步骤S2中，对磁屏蔽筒（17）进行消磁的具体方法为：给绕在磁屏蔽筒（17）内的消磁线圈施加频率为 50Hz交流电，逐渐减小交流电电流大小直至为零；

所述步骤S3中，对横向磁场进行频率扫描时，频率扫描范围不超过100kHz，扫描时间为1s，所述横向磁场的磁场强度小于100nT。

8.根据权利要求1所述一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，所述步骤S5和步骤S7中，计算主磁场强度的公式为：

，

其中

表示射频共振频率，

表示基态超精细能级所对应的旋磁比，其中，对于85原子F_g=3来说，

=4.66743 Hz/nT,对于铷87原子F_g=2来说，

=6.99583 Hz/nT，B表示主磁场强度。

9.根据权利要求1所述一种基于铷原子磁共振谱的磁强计校准方法，其特征在于，所述步骤S8中，通过步骤S5和步骤S7得到的主磁场强度，对待测磁强计的测量数据进行校准的具体方法为：将步骤S5和步骤S7得到的同一轴向驱动电流下的主磁场强度的平均值，作为该驱动电流下磁场强度的最终值，对该驱动电流下待测磁场计的测量值进行校准。

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