CN114137448A - 一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法，包括：激光器、磁屏蔽筒、耦合器、起偏器、四分之一波片、三轴向磁线圈、水冷系统、碱金属原子气室、无磁电加热装置、真空腔、半波片、反射镜、偏振分束器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集系统。激光器发出的激光通过耦合器进入磁屏蔽筒内，经过起偏器后变为线偏振光，经过四分之一波片后变为椭偏度为π/8的椭圆偏振光，其中，圆偏振成分抽运碱金属原子，线偏振成分进行检测。经过碱金属原子气室后，椭圆偏振光椭偏度和旋角发生改变，利用半波片和偏振分束器分别提取两正交方向的偏振分量并通过数据采集系统对其进行差分检测，测得的差分信号反映所响应的磁场大小。

Description

一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法
技术领域
本发明涉及极弱磁测量技术领域，特别是一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法。
背景技术
基于无自旋交换弛豫效应(spin-exchange relaxation-free，SERF)的三轴磁场测量装置可获得磁场矢量的全部信息，被广泛应用在基础物理学研究、心脑磁探测、材料检测等领域。利用多检测光束可以实现三轴磁场测量，但该种测量装置体积大不利于小型化。采用调制方法可以利用小型的单光束磁强计实现双轴或三轴测量。但是，调制式三轴磁测量方法仅能够有效测量交流磁场，进行直流磁场测量时极易受到三轴串扰影响，使其测量误差较大。并且，实验中缺少小型单光束磁强计的原位高精度三轴线圈标定方法，使得其磁场测量精度严重受限。
发明内容
本发明提供一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法，利用单光束非调制式磁强计，不需要高频调制磁场，仅需获得三轴频率响应即可实现三轴直流磁场测量，避免标准磁场线圈常数误差，直接使用碱金属原子本身的特性，即旋磁比，这避免了标准磁场误差的问题。
本发明技术方案如下：
一种单光束非调制式三轴磁场测量装置，包括：
激光器、磁屏蔽筒和数据采集系统；
所述磁屏蔽桶内依次设有起偏器、四分之一波片、真空腔、半波片、偏振分束器和光电探测器；所述真空腔的外侧面设有水冷系统、内部设有无磁电加热装置，所述无磁电加热装置之内设有碱金属气室；
所述真空腔的外部设有用于对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿三轴向磁线圈组；
所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器用于检测平行于起偏器透光轴之偏振分量方向的光强；所述第二光电探测器用于检测垂直于起偏器透光轴之偏振分量的光强；所述数据采集系统连接所述第一光电探测器和所述第二光电探测器。
作为优选，所述四分之一波片的快轴与起偏器的透光轴之间的夹角为π/8，所述半波片的快轴与起偏器的透光轴之间的夹角为π/4；
作为优选，所述单光束非调制式三轴磁场测量装置还包括反射镜，所述反射镜与水平方向的夹角为45°且设于所述偏振分束器的竖直光路上，将偏振分束器的竖直光路变为与其水平光路方向平行且同向的第二水平光路；所述第一光电探测器设于所述水平光路上，所述第二光电探测器设于所述第二水平光路上。
作为优选，所述激光器与所述磁屏蔽筒之间还设有耦合器。
作为优选，所述碱金属气室为钾原子气室。
一种单光束非调制式三轴磁场测量方法，其特征在于，使用上述单光束非调制式三轴磁场测量装置测量三轴磁场，包括如下步骤：
S1，在磁屏蔽桶的一侧安装激光器及耦合器，在磁屏蔽桶内安装起偏器、半波片、偏振分束器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中，起偏器、半波片、偏振分束器和第一光电探测器均设于所述偏振分束器的水平光路上，所述第二光电探测器设于所述偏振分束器的竖直光路上；
S2，调节半波片快轴方向，使得第一光电探测器和第二光电探测器的输出解调信号强度相同；
S3，在起偏器和半波片之间安装四分之一波片和真空腔；所述真空腔的外侧面设有水冷系统、内部设有无磁电加热装置，所述无磁电加热装置之内设有碱金属气室；所述真空腔的外部设有用于对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿三轴向磁线圈组；
S4，调节四分之一波片快轴方向，使其与起偏器透光轴之间的夹角为π/8；
S5，使用所述无磁电加热装置加热所述钾原子气室至180-200℃；
S6，对磁屏蔽桶消磁，使得桶内各轴剩磁小于10nT；
S7，施加x方向正弦磁场信号，频率为30Hz，有效值为100pT，调节四分之一波片和激光器光强使得碱金属原子对正弦磁场的响应信号最大；其中，x方向为竖直方向，z方向为水平方向也即为抽运方向，y方向垂直于所述x方向和z方向；
S8，分别在x、y、z方向施加正弦磁场信号，所述正弦磁场信号的磁场有效值为100pT，频率f范围为10Hz–100Hz；从频率f＝10Hz开始，每间隔5Hz分别采集x、y、z方向的磁场频率响应信号Gx(f)、Gy(f)、Gz(f)；
S9，利用频率响应公式拟合采集到的x、y、z方向的磁场响应信号Gx(f)、Gy(f)、Gz(f)，得到响应峰值频率f0和展宽频率Δf；
S10，计算磁场频率响应信号的比值Gz(f)/Gx(f)与Gz(f)/Gy(f)，利用频率响应比例公式拟合，得到x方向的转折频率f1x和y方向的转折频率f1y；
S11，利用峰值频率f0、展宽频率Δf、x方向的转折频率f1x和y方向的转折频率f1y，计算三轴磁场的磁场强度值。
作为优选，所述S8中，每间隔5Hz分别采集x、y、z方向的磁场频率响应信号时，若x、y、z方向的磁场频率响应信号较小，则通过施加z向偏置磁场，使x、y、z方向的磁场频率响应信号变大，且确保x、y、z方向的磁场频率响应信号的测量不确定度均小于1％。
本发明相对于现有技术优势在于：
1、本发明所述单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法，不需要高频调制磁场，仅需获得三轴频率响应即可实现三轴直流磁场测量，使用范围更广泛。
2、本发明所述单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法，利用频率响应中转折频率与三轴磁场的关系，通过测量转折频率实现了三轴磁场的测量，没有采用传统方法中利用线圈产生标准正弦磁场以实现刻度系数的标定程序，也即为测量过程中不需要高精度的线圈常数，避免线圈常数误差。
3、本发明所述单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法，采用对x、y、z方向的磁场频率响应信号Gx(f)、Gy(f)、Gz(f)进行频率响应的完整分析，避免三轴串扰的影响。
附图说明
图1是本发明单光束非调制式三轴磁场测量装置的结构简图；
图2是采用本发明单光束非调制式三轴磁场测量方法，测量得到的一实施例的三轴频率响应曲线图；其中，实线为在x方向施加正弦磁场得到的磁场频率响应信号Gx(f)，虚线为在y方向施加正弦磁场得到的磁场频率响应Gy(f)，点划线为在z方向施加正弦磁场得到的磁场频率响应Gz(f)；
图3为采用本发明单光束非调制式三轴磁场测量方法，测量得到的三轴频率响应比例曲线图；其中，实线为z方向磁场频率响应与x方向磁场频率响应之比Gz(f)/Gx(f)，虚线为z方向磁场频率响应与y方向磁场频率响应之比Gz(f)/Gy(f)。
图中各标号为：
1-激光器，2-屏蔽筒，3-耦合器，4-起偏器，5-四分之一波片，6-三轴线圈，7-水冷系统，8-钾原子气室，9-无磁电加热装置，10-真空腔，11-半波片，12-反射镜，13-偏振分束器，14-第一光电探测器，15-第二光电探测器，16-数据采集系统。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合具体实施例和对比例，对本发明进行更详细的说明。
本发明的单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法的原理如下：
在单光束原子磁强计中，抽运光将碱金属原子极化到主轴方向，由于外界磁场作用，碱金属原子发生塞曼分裂，产生拉莫尔进动。在宏观上，拉莫尔进动导致原子系综总角动量发生变化。弛豫作用导致宏观角动量分布稳定，也即为能够表示为稳态响应。在直流磁场作用下，宏观分布指向发生改变。此时加入交流磁场产生动态响应。在单光束非调制系统中，只能得到单一方向的角动量变化。交流磁场产生的动态响应的投影受到宏观角动量指向的影响，表现为不同直流磁场下磁强计频率响应的输出不同。定义抽运方向为z向，过程可以用Bloch方程进行描述。
Figure BDA0003267559780000041
其中，S为碱金属原子平均角动量，B为待测磁场，分为直流磁场分量和交流磁场分量。对直流磁场分量的响应称为磁强计稳态响应，对交流正弦磁场响应称为磁强计频率响应。Rpr为激光抽运效应，与激光光强成正比。Rrel为系统弛豫项，包含泡壁碰撞弛豫和自旋自毁弛豫，q(P)≈5为考虑超精细能级后的减慢因子项。在Bloch方程中，三轴磁场存在耦合。令公式(1)左侧角动量S变化率项等于0，可以得到系统稳态响应。利用稳态响应，分离系统稳态项和动态项，并舍弃高阶效应，可以得到随外界输入交流正弦磁场变化的信号所满足的微分方程组。当外界交流磁场在x方向时，微分方程组表示为，
Figure BDA0003267559780000042
其中，
Figure BDA0003267559780000043
分别为x、y、z三方向碱金属原子动态响应，
Figure BDA0003267559780000044
为他们随时间的导数。ω0z，ω0y，ω0z分别为直流磁场产生原子拉莫尔进动频率在x、y、z三方向投影；S0x，S0y，S0z分别为x、y、z三方向碱金属原子稳态响应；Δω＝(RPR+Rrel)/q(P)，γ为碱金属原子旋磁比，
Figure BDA0003267559780000045
为输入x方向正弦磁场。
利用拉普拉斯变换，解得x方向的磁场频率响应为：
Figure BDA0003267559780000046
其中，B’为输入正弦磁场幅值大小，
Figure BDA0003267559780000047
为总直流磁场产生的原子拉莫尔进动频率。
Figure BDA0003267559780000048
为x方向磁场频率响应的一阶微分环节，其转折频率为
Figure BDA0003267559780000049
Figure BDA00032675597800000410
为另一个一阶微分环节，其转折频率为2Δω，
Figure BDA00032675597800000411
为一阶惯性环节，其转折频率为Δω，
Figure BDA00032675597800000412
为二阶振荡环节，其转折频率为
Figure BDA00032675597800000413
同理，y方向的磁场频率响应为：
Figure BDA0003267559780000051
Figure BDA0003267559780000052
为y方向的磁场频率响应的一阶微分环节，其转折频率为
Figure BDA0003267559780000053
z方向的磁场频率响应为：
Figure BDA0003267559780000054
Figure BDA0003267559780000055
为z方向的磁场频率响应的比例环节。利用三轴正弦磁场响应，可以拟合得到拉莫尔频率ω0和展宽Δω。
三轴频率响应之比与一阶微分环节的转折频率密切相关，表示为，
Figure BDA0003267559780000056
Figure BDA0003267559780000057
通过拟合三轴频响之比，可以得到转折频率ω1x、ω1y。利用拉莫尔频率ω0、展宽Δω、转折频率ω1x、ω1y可以求解拉莫尔进动频率在三轴分量，进而得到三轴磁场大小。
具体如图1所示，一种单光束非调制式三轴磁场测量装置包括：激光器1、磁屏蔽筒2、耦合器3、起偏器4、四分之一波片5、三轴向磁线圈6、水冷系统7、钾原子气室8、无磁电加热装置9、真空腔10、半波片11、反射镜12、偏振分束器13、第一光电探测器14、第二光电探测器15和数据采集系统16。其中，起偏器4、四分之一波片5、三轴向磁线圈6、碱金属原子气室8、波片11、偏振分束器13和第一光电探测器14均位于抽运光路也即为水平光路上。
所述起偏器4、四分之一波片5、三轴向磁线圈组6、水冷系统7、钾原子气室8、无磁电加热装置9、真空腔10、半波片11、反射镜12、偏振分束器13、第一光电探测器14和第二光电探测器15均位于所述磁屏蔽桶2内；所述真空腔10的外侧面设有水冷系统7、内部设有无磁电加热装置9，所述无磁电加热装置9之内设有碱金属气室8；所述三轴向磁线圈设于所述真空腔10和所述水冷系统7的外部，用于对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿。
第二光电探测器15设于所述偏振分束器13的竖直光路上；所述数据采集系统16连接所述第一光电探测器14和所述第二光电探测器15，进行数据采集。
四分之一波片5快轴与起偏器4透光轴之间的夹角为π/8，半波片11快轴与起偏器4透光轴之间的夹角为π/4。激光器发出的激光通过耦合器进入磁屏蔽筒2内，经过起偏器4后变为线偏振光，经过四分之一波片5后变为椭偏度为π/8的椭圆偏振光，其中，圆偏振成分抽运钾原子，线偏振成分进行检测。经过钾原子气室8后，椭圆偏振光椭偏度和旋角发生改变，利用半波片11和偏振分束器13分别提取两正交方向的偏振分量并通过数据采集系统16对其进行差分检测，测得的差分信号反映了所响应的磁场大小。
作为优选，所述反射镜12与水平方向的夹角为45°且设于所述偏振分束器的竖直光路上，将偏振分束器的竖直光路变为与水平光路方向平行且同向的第二水平光路；所述第二光电探测器设于所述第二水平光路上。
一种单光束非调制式三轴磁场测量方法，使用上述单光束非调制式三轴磁场测量装置测量三轴磁场，包括如下步骤：
S1，在磁屏蔽桶2的一侧安装激光器1及耦合器3，在磁屏蔽桶2内安装起偏器4、半波片11、偏振分束器13、第一光电探测器14和第二光电探测器15，其中，起偏器4、半波片11、偏振分束器13和第一光电探测器14均设于所述偏振分束器13的水平光路上，所述第二光电探测器15设于所述偏振分束器13的竖直光路上；
S2，调节半波片11快轴方向，使得第一光电探测器14和第二光电探测器15的输出信号一致；
S3，在起偏器4和半波片11之间安装四分之一波片5和真空腔10；所述真空腔10的外侧面设有水冷系统7、内部设有无磁电加热装置9，所述无磁电加热装置9之内设有钾原子气室8；所述三轴向磁线圈设于所述真空腔10和所述水冷系统7的外部，用于对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿。
S4，调节四分之一波片5快轴方向，使其与起偏器4透光轴之间的夹角为π/8；
S5，使用所述无磁电加热装置9加热所述钾原子气室8至180-200℃；
S6，对磁屏蔽桶2消磁，使得桶内各轴剩磁小于10nT；
S7，施加x方向第一正弦磁场信号，频率30Hz，有效值100pT，调节四分之一波片和激光器光强使得钾原子气室对正弦磁场的响应信号最大；其中，x方向为竖直方向，z方向为水平方向也即为抽运方向，y方向垂直于所述x方向和z方向；
S8，分别在x、y、z方向施加第二正弦磁场信号，所述第二正弦磁场信号的磁场有效值量级为100pT，频率范围为10Hz–100Hz；从频率f＝10Hz开始，每间隔5Hz分别采集x、y、z方向的磁场频率响应信号Gx(f)、Gy(f)、Gz(f)；
S9，利用频率响应公式：
Figure BDA0003267559780000061
Figure BDA0003267559780000071
Figure BDA0003267559780000072
拟合采集到的x、y、z方向的磁场响应信号Gx(f)、Gy(f)、Gz(f)如图2所示，得到响应峰值频率f0和展宽频率Δf；
S10，如图3，利用如下公式计算磁场频率响应信号的比：
Figure BDA0003267559780000073
Figure BDA0003267559780000074
得到x方向的转折频率f1x和y方向的转折频率f1y；
S11，利用峰值频率f0、展宽频率Δf、x方向的转折频率f1x和y方向的转折频率f1y，
Figure BDA0003267559780000075
Figure BDA0003267559780000076
Figure BDA0003267559780000077
计算三轴磁场的磁场强度值
Figure BDA0003267559780000078
其中，q(P)→6。
作为优选，所述S8中，每间隔5Hz分别采集x、y、z方向的磁场频率响应信号时，若x、y、z方向的磁场频率响应信号较小，则通过施加z向偏置磁场，使x、y、z方向的磁场频率响应信号变大，且确保x、y、z方向的磁场频率响应信号的测量不确定度均小于1％。
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 (7)

1.一种单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，包括：
激光器、磁屏蔽筒和数据采集系统；
所述磁屏蔽桶内依次设有起偏器、四分之一波片、真空腔、半波片、偏振分束器和光电探测器；所述真空腔的外侧面设有水冷系统、内部设有无磁电加热装置，所述无磁电加热装置之内设有碱金属气室；
所述真空腔的外部设有用于对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿三轴向磁线圈组；
所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器用于检测平行于起偏器透光轴之偏振分量方向的光强；所述第二光电探测器用于检测垂直于起偏器透光轴之偏振分量的光强；所述数据采集系统连接所述第一光电探测器和所述第二光电探测器。
2.根据权利要求1所述单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述四分之一波片的快轴与起偏器的透光轴之间的夹角为π/8，所述半波片的快轴与起偏器的透光轴之间的夹角为π/4；
3.根据权利要求1所述单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜与水平方向的夹角为45°且设于所述偏振分束器的竖直光路上，将偏振分束器的竖直光路变为与其水平光路方向平行且同向的第二水平光路；所述第一光电探测器设于所述水平光路上，所述第二光电探测器设于所述第二水平光路上。
4.根据权利要求1所述单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述激光器与所述磁屏蔽筒之间还设有耦合器。
5.根据权利要求1所述单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述碱金属气室为钾原子气室。
6.一种单光束非调制式三轴磁场测量方法，其特征在于，使用权利要求1-5之一所述单光束非调制式三轴磁场测量装置测量三轴磁场，包括如下步骤：
S1，在磁屏蔽桶的一侧安装激光器及耦合器，在磁屏蔽桶内安装起偏器、半波片、偏振分束器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中，起偏器、半波片、偏振分束器和第一光电探测器均设于所述偏振分束器的水平光路上，所述第二光电探测器设于所述偏振分束器的竖直光路上；
S2，调节半波片快轴方向，使得第一光电探测器和第二光电探测器的输出解调S3，在起偏器和半波片之间安装四分之一波片和真空腔；所述真空腔的外侧面设有水冷系统、内部设有无磁电加热装置，所述无磁电加热装置之内设有碱金属气室；所述真空腔的外部设有用于对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿三轴向磁线圈组；
S4，调节四分之一波片快轴方向，使其与起偏器透光轴之间的夹角为π/8；
S5，使用所述无磁电加热装置加热所述钾原子气室至180-200℃；
S6，对磁屏蔽桶消磁，使得桶内各轴剩磁小于10nT；
S7，施加x方向正弦磁场信号，频率为30Hz，有效值为100pT，调节四分之一波片和激光器光强使得碱金属原子对正弦磁场的响应信号最大；其中，x方向为竖直方向，z方向为水平方向也即为抽运方向，y方向垂直于所述x方向和z方向；
S8，分别在x、y、z方向施加正弦磁场信号，所述正弦磁场信号的磁场有效值为100pT，频率f范围为10Hz–100Hz；从频率f＝10Hz开始，每间隔5Hz分别采集x、y、z方向的磁场频率响应信号Gx(f)、Gy(f)、Gz(f)；
S9，利用频率响应公式拟合采集到的x、y、z方向的磁场响应信号Gx(f)、Gy(f)、Gz(f)，得到响应峰值频率f0和展宽频率Δf；
S10，计算磁场频率响应信号的比值Gz(f)/Gx(f)与Gz(f)/Gy(f)，利用频率响应比例公式拟合，得到x方向的转折频率f1x和y方向的转折频率f1y；
S11，利用峰值频率f0、展宽频率Δf、x方向的转折频率f1x和y方向的转折频率f1y，计算三轴磁场的磁场强度值。
7.根据权利要求6所述单光束非调制式三轴磁场测量方法，其特征在于，所述S8中，每间隔5Hz分别采集x、y、z方向的磁场频率响应信号时，若x、y、z方向的磁场频率响应信号较小，则通过施加z向偏置磁场，使x、y、z方向的磁场频率响应信号变大，且确保x、y、z方向的磁场频率响应信号的测量不确定度均小于1％。
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