CN112946539A - 一种基于serf的单光束反射式三轴磁场测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，采用在碱金属气室的气室主体上设置反射镜，使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直，当气室内的碱金属原子处在零磁环境下，其自旋矢量方向沿着入射抽运光和反射抽运光的传播方向，不发生进动，激光的光强不发生变化；当在与入射抽运光或反射抽运光垂直方向上存在待测磁场时，气室内的碱金属原子自旋矢量将绕待测磁场进动，激光光强会随之发生有规律的变化，所述光电探测器将该光强变化信号转为电信号，所述锁相放大器解调光电探测器中的电信号，分别得到X轴、Y轴和Z轴三个方向磁场对应的电压信号，进而使用单光束完成三轴磁场的测量。

Description

一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置
技术领域
本发明属于SERF(Spin-Exchange Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计技术领域，具体涉及一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置。
背景技术
近年来，随着量子理论和激光器技术的不断发展，原子磁强计性能大幅提高，不断突破测量精度极限，成为最精密的磁场仪器。现阶段原子磁强计的细分种类繁多，其中SERF原子磁强计是目前低频灵敏度最高的一种磁强计。经典单光束和双光束SERF原子磁强计至多能实现双轴磁场测量，无法实现抽运光方向磁场的测量。
现阶段基于SERF的三轴矢量磁场测量的实现方案包括双光束结构和/或多气室结构的三轴矢量磁场测量方案以及低频三轴调制式磁场测量方案等，均存在体积大、结构复杂、无法同时测量三轴磁场、灵敏度低等问题，限制了三轴矢量磁强计的使用与发展。
发明内容
本发明提供一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，通过改变抽运光在气室内部传播方向，实现一束抽运光和一个碱金属气室就能同时进行三轴磁场的连续测量，结构简单，且克服单光束SERF磁强计无法测量抽运光方向磁场的难题。
本发明技术方案如下：
一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，包括碱金属气室，还包括对所述碱金属气室进行加热的烤箱、对所述碱金属气室进行磁屏蔽的磁屏蔽桶、对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿的信号发生器和三轴向磁线圈组、向所述碱金属气室发射入射抽运光的激光器，以及接收经所述碱金属气室射出的反射抽运光的光电探测器；所述碱金属气室、烤箱、磁线圈组、激光器以及光电探测器均放置于所述磁屏蔽桶的内部；还包括设于所述磁屏蔽桶外部的锁相放大器，所述锁相放大器与所述光电探测器相连，所述光电探测器将所述反射抽运光的光强变化信号转为电信号，所述锁相放大器解调所述光电探测器中的电信号，得到待测三轴磁场对应的电压信号；所述碱金属气室包括气室主体和气柄，所述气室主体内部或外部安装有反射镜，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接受到的反射抽运光互相垂直。
作为优选，所述气室主体形状为直五棱柱，所述直五棱柱包括一个斜侧面和四个相邻且相互垂直的直角侧面，所述斜侧面与相邻直角侧面的夹角均为135°，所述气室主体斜侧面上设有反射镜，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直。所述反射镜优选设于所述气室主体斜侧面的外部。
作为优选，所述气室主体形状为长方体，优选为正方体，所述气室内部安装有反射镜，所述反射镜工作面与相邻气室侧面的夹角均为135°，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直。
作为优选，所述三轴向磁线圈组包括X轴向磁线圈、Y轴向磁线圈和Z轴向磁线圈，所述信号发生器设于所述磁屏蔽桶外部，并向所述三轴向磁线圈组输入高频调制磁场。
作为优选，所述碱金属气室的内部包括高压氮气和氦气，还包括钾、铷、铯三种碱金属中的一种或者两种或者三种。
作为优选，所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，还包括依次设于所述激光器和所述碱金属气室之间的准直透镜、偏振片、1/4波片；所述激光器发出的激光经所述准直透镜转换为准直的线偏振光，而后通过所述偏振片和1/4波片转换为准直的圆偏振光，所述准直的圆偏振光即为所述入射抽运光。
作为优选，所述入射抽运光以与所述反射镜的夹角为45°入射所述碱金属气室；或所述入射抽运光经第一反射镜反射使其传播方向与原方向垂直后，以与所述反射镜的夹角为45°入射所述碱金属气室。
作为优选，所述入射抽运光的波长处于所使用的碱金属原子D1线的中心。
作为优选，所述烤箱为高导热氮化硼材料，且其外表面贴有碱金属气室提供热源的加热膜。
作为优选，所述激光器包括VCSEL激光器。
一种用于单光束反射式三轴磁场测量的碱金属气室包括气室主体和气柄，所述气室主体形状为直五棱柱，所述直五棱柱包括一个斜侧面和四个相邻且相互垂直的直角侧面，所述斜侧面与相邻直角侧面的夹角均为135°，所述气室主体斜侧面上设有反射镜，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直。
一种用于单光束反射式三轴磁场测量的碱金属气室，包括气室主体与气柄，所述气室主体形状为长方体，优选为正方体，所述气室内部安装一面反射镜，所述反射镜工作面与相邻气室侧面的夹角均为135°，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接受到的反射抽运光互相垂直。
本发明相对于现有技术优势在于：
1、本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，采用碱金属气室，并在气室主体斜侧面上设置反射镜，使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直，当气室内的碱金属原子处在零磁环境下，其自旋矢量方向沿着入射抽运光和反射抽运光的传播方向，不发生进动，激光的光强不发生变化；当在与入射抽运光或反射抽运光垂直方向上存在待测磁场时，气室内的碱金属原子自旋矢量将绕待测磁场进动，激光光强会随之发生有规律的变化，所述光电探测器将光强变化信号转为电信号，所述锁相放大器解调光电探测器中的电信号，分别得到X轴、Y 轴和Z轴三个方向磁场对应的电压信号，进而使用单光束完成三轴磁场的测量，解决了传统单光束 SERF磁强计无法测量抽运光方向磁场的问题。
2、本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，使用单一光源，与双光束矢量测量装置相比，本装置系统外部光路结构简单，硬件成本低。
3、本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，使用高频调制磁场，灵敏度显著高于低频调制方法，且在同时加入X轴、Y轴和Z轴的高频调制磁场时，通过锁相放大器解调后可同时连续获得待测三轴磁场对应的电压信号。
4、本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，入射抽运光与反射抽运光在反射镜表面附近存在交叉区域，此区域的碱金属原子同时感受到入射抽运光与反射抽运光，可能会影响原子的极化效果，故而通过设置准直透镜、偏振片和1/4波片，缩小激光光斑直径，降低交叉区域，进而降低对原子极化的影响，进一步抑制交叉耦合现象。
5、本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，不仅可以测量横向磁场，还可以测量抽运光等方向的磁场，能够提供更加丰富的磁场信息，在国防、基础物理研究、医学、航空航天等各个领域广泛应用，将成为下一代原子磁强计的发展方向。
6、本发明所述用于单光束反射式三轴磁场测量的碱金属气室，结构简单，制造和安装方便，能够将碱金属气室在磁屏蔽筒内准确定位，在不显著增加硬件的前体下，实现三轴磁场的高灵敏测量，有利于拓展SERF磁强计的使用范围及应用场合。
附图说明
图1是本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置实施例1的结构简图；
图2是本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置是实施例2的结构简图；
图3是本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置的碱金属气室内碱金属原子的极化示意图，其中空心大圆为碱金属原子，实心圆为氮气，空心小圆为氦气。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图1-3和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。
实施例1
一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，包括VCSEL激光器1、准直透镜2、偏振片4、 1/4波片5、第一反射镜6、碱金属气室8、反射镜9、光电探测器11、锁相放大器12、信号发生器13、三轴向磁线圈组14、磁屏蔽桶15和烤箱16，所述VCSEL激光器1、准直透镜2、偏振片4、1/4波片5、第一反射镜6、碱金属气室8、反射镜9、光电探测器11、三轴向磁线圈组14、磁屏蔽桶15和烤箱16均放置于所述磁屏蔽桶15的内部；所述烤箱16，为高导热氮化硼材料，且其外表面贴有加热膜，以对所述碱金属气室8加热。所述信号发生器13设于所述磁屏蔽桶15外部，并向所述三轴向磁线圈组14输入高频调制磁场。所述三轴向磁线圈组包括X轴向磁线圈、Y轴向磁线圈和Z轴向磁线圈。
所述碱金属气室8包括气室主体81和气柄，所述气室主体81形状为直五棱柱，所述直五棱柱包括一个斜侧面811和四个相邻且相互垂直的直角侧面，所述斜侧面811与相邻直角侧面的夹角均为135°，所述反射镜9设于所述气室主体81的斜侧面811上，所述反射镜9使所述激光器1发出的入射抽运光7与光电探测器11接收到的反射抽运光10相互垂直。
所述激光器1发出的激光经所述准直透镜2转换为准直的线偏振光3，而后通过所述偏振片4和1/4 波片5转换为准直的圆偏振光7，所述准直的圆偏振光7即为所述入射抽运光7。如图1所示所述入射抽运光7经第一反射镜6反射使其传播方向与原方向垂直后，以与所述反射镜9的夹角为45°入射所述碱金属气室8，即所述激光器1发出的激光入射方向与所述反射抽运光10的入射方向平行且方向相反，所述第一反射镜6使所述入射抽运光7经过一次垂直反射准直摄入所述反射镜9，后经所述反射镜9垂直反射到所述光电探测器，该种能够节省空间，且缩小激光光斑直径，降低入射抽运光与反射抽运光的交叉区域，进而降低对原子极化的影响，进一步抑制磁场耦合现象。
所述锁相放大器12设于所述磁屏蔽桶15外部，并与所述光电探测器11相连，当气室内的碱金属原子处在零磁环境下，其自旋矢量方向沿着入射抽运光和反射抽运光的传播方向，不发生进动，激光的光强不发生变化；当在与入射抽运光或反射抽运光垂直方向上存在待测磁场时，气室内的碱金属原子自旋矢量将绕待测磁场进动，激光光强会随之发生有规律的变化，所述光电探测器11将所述反射抽运光10的光强变化信号转为电信号，所述锁相放大器12解调所述光电探测器11中的电信号，分别得到X轴、Y轴和Z 轴三个方向磁场对应的电压信号，进而使用单光束完成三轴磁场的测量，解决了传统单光束SERF磁强计无法测量抽运光方向磁场的问题。
具体测量原理如图3所示，入射抽运光7入射到碱金属气室8内，沿着Z轴方向极化部分碱金属原子。紧贴碱金属气室8斜侧面的反射镜9将改变入射抽运光7的传播方向，反射镜10传播方向与入射抽运光7 垂直，沿着X轴极化另一部分碱金属原子。两部分碱金属原子分别处在碱金属气室8的不同位置。
假设抽运方向为Z轴，待测磁场为B＝[BxByBz]，根据SERF原子磁强计的基本原理，原子自旋演化过程可以使用Bloch方程解释：
Figure RE-GDA0003032820970000041
其中S为碱金属原子的自旋矢量，B为原子感受到的磁场矢量，s为光抽运矢量，其方向为抽运光方向，大小为其圆偏振度，q(P)是减慢因子。
式(1)的准静态解为：
Figure RE-GDA0003032820970000051
其中
Figure RE-GDA0003032820970000052
Figure RE-GDA0003032820970000053
信号发生器13与磁线圈14同时在X轴、Y轴和Z轴施加不同频率的高频调制磁场:
Figure RE-GDA0003032820970000054
沿Z轴方向极化的碱金属原子可以敏感X轴和Y轴磁场，沿X轴方向极化的碱金属原子可以敏感Y 轴和Z轴磁场，将式(5)进行一阶泰勒展开:
Figure RE-GDA0003032820970000055
光电探测器11输出电流为：
I0＝k·Sx(6)
其中k是比例系数。
光电探测器11将信号输入到锁相放大器12中，分别以ωx，ωy，ωx频率解调输入信号，可以同时分别获得待测磁场Bx，By，Bz对应的电压幅值。
作为优选，所述碱金属气室8的内部包括高压氮气和氦气，用于淬灭和缓冲，还包括钾、铷、铯三种碱金属中的一种或者两种。
作为优选，所述入射抽运光7的波长处于所使用的碱金属原子D1线的中心。
实施例2
本实施例与上述实施例的区别在于，如图2所示，所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置可直接将所述激光器发出的激光、经所述准直透镜转换为准直的线偏振光、通过所述偏振片和1/4波片转换的准直入射抽运光的方向以与所述反射镜的夹角为45°的方向直接入射所述碱金属气室，而不经所述第一反射镜反射。
实施例3
一种用于单光束三轴磁场测量的碱金属气室8，包括气室主体81和气柄，所述气室主体81形状为直五棱柱，所述直五棱柱包括一个斜侧面811和四个相邻且相互垂直的直角侧面，所述斜侧面811与相邻直角侧面的夹角均为135°，所述气室主体81斜侧面上设有反射镜9，所述反射镜9使所述激光器1发出的入射抽运光7与光电探测器11接收到的反射抽运光10相互垂直。
实施例4
一种用于单光束三轴磁场测量的碱金属气室8，包括气室主体81和气柄，所述气室主体81形状为长方体，所述气室内部安装有反射镜9，所述反射镜9工作面与相邻侧面的夹角均为135°，所述反射镜9使所述激光器1发出的入射抽运光7与光电探测器11接收到的反射抽运光10相互垂直。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，其特征在于，包括碱金属气室，还包括对所述碱金属气室进行加热的烤箱、对所述碱金属气室进行磁屏蔽的磁屏蔽桶、对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿的信号发生器和三轴向磁线圈组、向所述碱金属气室发射入射抽运光的激光器，以及接收经所述碱金属气室射出的反射抽运光的光电探测器；所述碱金属气室、烤箱、磁线圈组、激光器以及光电探测器均放置于所述磁屏蔽桶的内部；还包括设于所述磁屏蔽桶外部的锁相放大器，所述锁相放大器与所述光电探测器相连，所述光电探测器将所述反射抽运光的光强变化信号转为电信号，所述锁相放大器解调所述光电探测器中的电信号，得到待测三轴磁场对应的电压信号；所述碱金属气室方案一包括气室主体和气柄，所述气室主体内部或外部安装有反射镜，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接受到的反射抽运光互相垂直。
2.根据权利要求1所述的基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述气室主体形状为直五棱柱，所述直五棱柱包括一个斜侧面和四个相邻且相互垂直的直角侧面，所述斜侧面与相邻直角侧面的夹角均为135°，所述气室主体斜侧面上设有反射镜，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直。
3.根据权利要求1所述的基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述气室主体形状为正方体，所述气室主体内部安装有反射镜，所述反射镜工作面与相邻气室侧面的夹角均为135°，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接受到的反射抽运光互相垂直。
4.根据权利要求1-3之一所述的基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述三轴向磁线圈组包括X轴向磁线圈、Y轴向磁线圈和Z轴向磁线圈，所述信号发生器设于所述磁屏蔽桶外部，并向所述三轴向磁线圈组输入高频调制磁场。
5.根据权利要求1所述的基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述碱金属气室的内部包括高压氮气和氦气，还包括钾、铷、铯三种碱金属中的一种或者多种，所述入射抽运光的波长处于所使用的碱金属原子D1线的中心。
6.根据权利要求1所述的基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，其特征在于，还包括依次设于所述激光器和所述碱金属气室之间的准直透镜、偏振片、1/4波片；所述激光器发出的激光经所述准直透镜转换为准直的线偏振光，而后通过所述偏振片和1/4波片转换为准直的圆偏振光，所述准直的圆偏振光即为所述入射抽运光。
7.根据权利要求6所述的基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述入射抽运光以与所述反射镜的夹角为45°入射所述碱金属气室；或所述入射抽运光经第一反射镜反射使其传播方向与原方向垂直后，以与所述反射镜的夹角为45°入射所述碱金属气室。
8.根据权利要求1-5之一所述的基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述烤箱为高导热氮化硼材料，且其外表面贴有碱金属气室提供热源的加热膜；和/或所述激光器包括VCSEL激光器。
9.一种用于单光束反射式三轴磁场测量的碱金属气室，其特征在于，包括气室主体和气柄，所述气室主体形状为直五棱柱，所述直五棱柱包括一个斜侧面和四个相邻且相互垂直的直角侧面，所述斜侧面与相邻直角侧面的夹角均为135°，所述气室主体斜侧面上设有反射镜，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直。
10.一种用于单光束反射式三轴磁场测量的碱金属气室，其特征在于，包括气室主体和气柄，所述气室主体形状为长方体，所述气室内部安装有反射镜，所述反射镜工作面与相邻气室侧面的夹角均为135°，所述反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直。
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