CN112924910B - 一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法，适用于原子传感器屏蔽桶内剩磁的测试。首先施加静磁场、调制磁场、抽运光、检测光，使原子磁强计工作在磁共振状态；对磁强计信号进行解调，用低通滤波器提取其直流分量，得到横向即垂直静磁场方向的剩磁，在横向施加直流补偿磁场将剩磁补偿至零；在不同的检测光强下进行剩磁测量与补偿，发现补偿磁场的输出值随检测光强线性变化，直线在纵轴上的截距即为排除光频移后横向实际剩磁的值；利用磁场扫频的方法测量电子共振频率，并测量静磁场方向和抽运光左右旋同时翻转后共振频率的变化，除以两倍的碱金属旋磁比即可得到纵向实际剩磁。本发明无需采用外部传感器，大大方便了原子传感器的设计。

Description

一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法

技术领域

本发明涉及原子传感器领域，具体涉及一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法。

背景技术

近年来，随着原子物理学的飞速发展，量子光学、冷原子等理论的突破以及激光、量子操控等技术的进步，原子传感器逐渐受到关注和重视。高精度、高灵敏度的原子传感器广泛应用于时间测量、惯性测量、磁场测量等领域，部分已经实现了工程应用，带来了重大技术变革。由于原子能级对磁场很敏感，因此在原子传感器中一般要进行磁屏蔽，减小环境磁场对原子的干扰，磁屏蔽通常需要精细的设计，以在体积缩小或存在开孔的情况下仍然达到很好的屏蔽效果。

为验证磁屏蔽后磁场是否满足原子传感器工作的需求，需对屏蔽桶内的剩磁进行测试。传统的剩磁测试方法通常利用磁通门磁强计等商用磁强计放置在屏蔽桶内部来进行剩磁测试，但外加传感器导致操作复杂，且对于某些体积较小的屏蔽桶，采用商用磁强计只能在屏蔽桶盖打开的情况下进行测试，不能得到原子传感器工作时的实际剩磁。后来也出现了基于原位磁强计的剩磁测量方法，但没有考虑光频移的影响，测得的磁场是实际剩磁与光频移产生虚假磁场的叠加，不能反映屏蔽桶对环境剩磁的屏蔽效果。因此，有必要研究一种无需外加传感器、且能分离光频移虚假磁场与实际剩磁的方法，以准确得到屏蔽桶内的实际剩磁，为原子传感器的设计与测试提供便利。

发明内容

本发明为解决现有测量方法需要外加传感器导致操作复杂以及由于没有考虑光频移的影响，测得的磁场是实际剩磁与光频移产生虚假磁场的叠加，不能反映屏蔽桶对环境剩磁的屏蔽效果等问题，提供一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法，能够在不采用外加磁场传感器的情况下测量原子传感器屏蔽桶内部的剩磁，且能够排除光频移的影响，得到准确的剩磁，从而评估屏蔽桶的屏蔽性能，为原子传感器的设计和测试提供指导。

一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法，所述原位磁强计基于原子传感器自身的气室、通过施加光场和磁场实现的原子磁强计，工作在磁共振状态，利用原子传感器的气室实现原位原子磁强计，对屏蔽桶内剩磁进行测量；具体包括以下步骤：

步骤一、首先搭建原子传感器系统，该原子传感器系统包括原子气室、烤箱、三轴线圈、多层磁屏蔽桶、抽运光路、检测光路和平衡探测器；然后在纵向即抽运光方向施加静磁场和调制磁场，同时施加抽运光、检测光，使原子磁强计工作在磁共振状态；

步骤二、对所述检测光路中的平衡探测器探测到的原子进动信号进行正交解调，获得横向即垂直抽运光方向的磁场大小与方向；然后采用三轴线圈中两个横向线圈施加补偿磁场，直至横向磁场被补偿至零；

步骤三、改变检测光强，重复步骤二中所述的磁补偿过程，记录将横向磁场补偿至零时补偿磁场的输出值，绘制所述输出值随检测光强变化的图像，最终拟合获得一条直线，从直线纵轴截距获得屏蔽桶内的横向剩磁，实际横向剩磁与直线纵轴截距所表示的磁场大小相等，方向相反；

步骤四、将横向剩磁补偿至零后，将调制磁场改为在横向施加，并扫描调制磁场的频率，获得原子的共振频率；然后翻转静磁场和抽运光，即静磁场大小不变、方向相反以及抽运光左右旋反向；测量原子共振频率的变化，除以2倍的碱金属旋磁比，获得屏蔽桶内的纵向剩磁。

本发明的有益效果：本发明基于原位磁强计进行测量，无需外加传感器，测量操作简单方便；同时，本发明区分了实际剩磁与光频移产生的虚假磁场，可以排除光频移虚假磁场的影响，准确得到屏蔽桶内的实际剩磁，大大方便了原子传感器的设计与测试。对磁屏蔽的研究以及原子传感器的设计具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测试方法总体流程图；

图2为本发明实施实验的一种原子传感器系统结构示意图，

图3中图3(a)为测量横向磁场的磁强计信号的一次解调结果，图3(b)为将横向磁场补偿至零所需的补偿磁场值随检测光强变化示意图，其中31为实验点，32为拟合直线，33为拟合直线的截距即实际横向剩磁。

图4中图4(a)为扫频曲线，其峰值表示电子共振频率，图4(b)为翻转主磁场和抽运光得到纵向剩磁的原理示意图。

图中，11、原子气室，12、烤箱，13、三轴线圈，14、多层磁屏蔽桶，15、抽运光路，151、第一激光光源，152、第一偏振分束棱镜，153、1/4波片，154、光电探测器，16、检测光路，160、平衡探测器，161、第二激光光源，162、第二偏振分束棱镜，163、差分偏振检测系统。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的具体实施步骤如图1所示，共包括4个步骤，具体步骤如下：

步骤1、搭建原子传感器系统，包括原子气室、烤箱、三轴线圈、多层磁屏蔽桶、抽运光路、检测光路。而后在纵向即抽运光方向施加一个静磁场，并施加圆偏振抽运光极化原子，原子会绕静磁场进动。再在纵向施加与原子进动频率相同的调制磁场，使原子磁强计工作在共振状态，并用一束线偏振检测光检测原子进动，实现原位原子磁强计。

步骤2、采用偏振分光和平衡探测器，可以测量检测光线偏振面的变化，进而得到原子进动信号。为了进行正交解调，以同时确定横向磁场的大小与方向，需要先用其中一个横向线圈施加一个非共振交流磁场以对齐解调相位。而后进行低通滤波获取解调结果的直流分量，即可得到横向即垂直抽运光方向的磁场大小与方向。利用两个横向线圈施加补偿磁场，直至两个方向的横向磁场分别被补偿至零。

步骤3、改变检测光强，重复步骤2中所述的磁补偿过程，记录将横向磁场补偿至零时补偿磁场的输出值，绘制该值随检测光强变化的图像，可以发现二者呈线性关系，这是由于原位磁强计测量的横向磁场中包括实际剩磁和光频移虚假磁场，其中光频移虚假磁场的值与检测光强成正比。拟合实验数据得到一条直线，从直线的纵轴截距可以得到屏蔽桶内的横向实际剩磁，实际横向剩磁与直线纵轴截距所表示的磁场大小相等、方向相反。

步骤4、将横向剩磁补偿至零后，将调制磁场改为在横向施加，并扫描调制磁场的频率，得到原子的共振频率。而后翻转静磁场和抽运光，即静磁场大小不变、方向反向、抽运光左右旋反向，测量原子共振频率的变化，除以2倍的碱金属旋磁比即可得到屏蔽桶内的纵向剩磁。

图2为本发明实施实验的一种原子传感器系统结构示意图。其中原子气室11包含原子传感器工作所需的原子源；烤箱12将原子气室加热以得到高密度碱金属原子蒸气；三轴线圈13包括两个横向线圈和一个纵向线圈，分别称为X、Y、Z轴线圈，用于施加静磁场、激励磁场并补偿剩磁；磁屏蔽桶14为多层结构，用于屏蔽环境磁场。

本实施方式中，所述原子气室11、烤箱12、三轴线圈13均位于屏蔽桶内部，屏蔽桶上开有通光孔供激光通过；抽运光路15包括第一激光光源151、将光源转换为圆偏振光的第一偏振分束棱镜152和1/4波片153、测量吸收的光电探测器154；检测光路16包括第二激光光源161、第二偏振分束棱镜162、差分偏振检测系统163，其中平衡探测器160测得的差分信号用于解调以得到磁强计测量结果。抽运光路15和检测光路16均位于多层磁屏蔽桶14的外部，并使得抽运激光和检测激光相互垂直地通过磁屏蔽桶上的通光孔，作用于原子气室11。

结合图3说明本实施方式，图3为屏蔽桶横向剩磁测量示意图。图3(a)为测量横向磁场的磁强计信号的一次解调结果，在X方向施加一个非共振交流磁场，调节解调相位，使得正交解调的两个分量一个最大、另一个最小，此时解调相位达到与实际的物理方向相对应。而后用横向线圈施加补偿磁场，将两方向的直流分量B_x与B_y分别补偿至零。图3(b)为在不同检测光强下进行磁场补偿得到的补偿磁场值随检测光强变化示意图，其中31为实验点，32为拟合直线，33为拟合直线的纵轴截距。由于磁强计信号的直流分量B_x、B_y为实际剩磁B_x0、B_y0与光频移虚假磁场B_x-LS、B_y-LS之和，

B_x＝B_x0+B_x-LS

B_y＝B_y0+B_y-LS

而检测光频移与光强I成正比，

式中，γ_e为碱金属的旋磁比，A(ν)为与激光频率ν相关的常系数，F表示碱金属电子的总角动量，m_F表示磁量子数，α为电场方向与磁场方向的夹角。故补偿磁场值随检测光强线性变化，实际横向剩磁与截距33表示的磁场大小相等、方向相反。

结合图4说明本实施方式，图4为屏蔽桶纵向剩磁测量示意图。图4(a)为扫频曲线，即磁强计信号幅值随横向振荡磁场频率的变化曲线，其峰值表示电子共振频率。图4(b)为翻转静磁场和抽运光得到纵向剩磁的原理示意图，其中σ⁺和σ^-分别表示左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。电子共振频率ω_e1是施加的静磁场B₀、纵向实际剩磁B_z0、核子极化产生的磁场B_n、抽运光频移产生的虚假磁场B_LS共同作用的结果，

ω_e1＝γ_e(B₀+B_z0+B_n+B_LS)

而静磁场和抽运光翻转后，原子产生的磁场与光频移虚假磁场同时反向，

ω_e2＝γ_e(B₀-B_z0+B_n+B_LS)

从以上两式中，可以解算纵向实际剩磁B_z0的值，

式中，B_e表示电子极化产生的磁场。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法，其特征是：所述原位磁强计基于原子传感器自身的气室、通过施加光场和磁场实现的原子磁强计，工作在磁共振状态，利用原子传感器的气室实现原位原子磁强计，对屏蔽桶内剩磁进行测量；具体包括以下步骤：

步骤一、首先搭建原子传感器系统，该原子传感器系统包括原子气室(11)、烤箱(12)、三轴线圈(13)、多层磁屏蔽桶(14)、抽运光路(15)、检测光路(16)；然后在纵向即抽运光方向施加静磁场和调制磁场，同时施加抽运光、检测光，使原子磁强计工作在磁共振状态；

步骤二、对所述检测光路(16)中的平衡探测器(160)探测到的原子进动信号进行正交解调，获得横向即垂直抽运光方向的磁场大小与方向；然后采用三轴线圈(13)中两个横向线圈施加补偿磁场，直至横向磁场被补偿至零；

步骤三、改变检测光强，重复步骤二中所述的磁补偿过程，记录将横向磁场补偿至零时补偿磁场的输出值，绘制所述输出值随检测光强变化的图像，最终拟合获得一条直线，从直线纵轴截距获得屏蔽桶内的横向剩磁，实际横向剩磁与直线纵轴截距所表示的磁场大小相等，方向相反；

步骤四、将横向剩磁补偿至零后，将调制磁场改为在横向施加，并扫描调制磁场的频率，获得原子的共振频率；然后翻转静磁场和抽运光，即静磁场大小不变、方向相反以及抽运光左右旋反向；测量原子共振频率的变化，除以两倍的碱金属旋磁比，获得屏蔽桶内的纵向剩磁，

所述原子气室(11)包含原子传感器工作所需的原子源；烤箱(12)将原子气室(11)加热以得到高密度碱金属原子蒸气；三轴线圈(13)包括两个横向线圈和一个纵向线圈，分别称为X、Y、Z轴线圈，用于施加静磁场、激励磁场并补偿剩磁。

2.根据权利要求1所述的一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法，其特征在于：在所述原子传感器系统中，所述原子气室(11)、烤箱(12)和三轴线圈(13)均位于多层磁屏蔽桶(14)内部，所述多层磁屏蔽桶(14)上开有通光孔供激光通过。

3.根据权利要求1所述的一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法，其特征在于：所述多层磁屏蔽桶(14)为多层结构，用于屏蔽环境磁场。

4.根据权利要求1所述的一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法，其特征在于：所述抽运光路(15)包括第一激光光源(151)，将所述第一激 光光源(151)转换为圆偏振光的第一偏振分束棱镜(152)和1/4波片(153)以及用于测量吸收的光电探测器(154)。

5.根据权利要求1所述的一种基于原位磁强计的屏蔽桶内剩磁测量方法，其特征在于：所述检测光路(16)包括第二激光光源(161)、第二偏振分束棱镜(162)和差分偏振检测系统(163)，所述差分偏振检测系统(163)中的平衡探测器(160)测得的差分信号用于解调以得到磁强计测量结果。

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