CN115184848B - 一种基于可调双光束serf原子磁强计的磁场梯度测量方法及装置 - Google Patents

一种基于可调双光束serf原子磁强计的磁场梯度测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于可调双光束SERF原子磁强计装置的磁场梯度测量方法及装置,首先将K原子气室加热到SERF态;通过测量单通道磁场响应灵敏度对磁场响应系数进行标定;再打开可调双光束产生装置产生双光束检测光进行磁场测量;通过调节可调双光束产生装置进行磁场测量范围,获得不同位置的磁场强度信号;最后,通过磁场梯度模型计算获得空间中磁场梯度的测量结果。这一测量方法可应用到各类光泵磁力仪、磁场梯度测量仪器等各类磁场测量仪器中进行磁场梯度的精密测量。

Description

一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法及 装置
技术领域
本发明涉及基于原子磁强计、原子磁力仪、磁测量、激光测量和量子精密测量技术领域,具体涉及一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法及装置。
背景技术
磁场测量技术用途非常的广泛,这一测量技术是基础科学、地球地质学、空间科学和生物医学等多个领域中必要的获得信息测量的手段。特别是在生命科学中有十分重要的应用价值和应用意义,丰富的生命科学信息蕴含在生物磁场中。磁场的精密测量是一门正在高速发展的测量技术,且具有十分前沿学科应用前景。常见的磁场测量仪器有磁通门磁强计、光泵磁力仪等磁场精密测量仪器。
无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,简称SERF)原子磁强计是一种利用碱金属原子自旋进行磁场测量的量子精密测量磁强计。SERF原子磁强计是目前已知的磁场测量精度最高的科学仪器之一。但是SERF原子磁强计对磁屏蔽环境依赖性较大,必须在较好的磁屏蔽环境(接近零磁)下工作。工作时,SERF原子磁强计气室中的碱金属原子必须到达SERF态,因此SERF磁强计的开机时间较长,准备工作复杂,测量过程相对较长,且检测范围较小,磁场的梯度精密测量等方法都不再适用。常见的SERF原子磁强计利用单束检测光对原子的状态进行检测,单束检测光仅能够测量一个方向上的磁场梯度。单光束不仅限制了SERF原子磁强计的磁场测量范围,还增加了单通道检测噪声对原子磁强计检测灵敏度影响。现有双光束原子磁强计仅在现有单光束SERF原子磁强计的基础上增加了一束间距固定的检测光,大大限制了两束检测光的测量范围和调节空间,对检测光空间的要求非常高,且增加了调节难度,同时也存在结构复杂、成本高和输出噪声大、磁场梯度响应弱等问题需要解决。
因此,提出一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法及装置具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法及装置,在单束检测光上增加用于SERF原子磁强计磁场测量的可调双光束产生装置来使输出噪声减小、信号响应增强,再通过输出响应信号调节和补偿来提高SERF原子磁强计的磁场梯度检测精度与检测灵敏度,最终获得磁场梯度测量结果。本发明具有结构简单、成本低、易于保养和维护、调节范围大、精密高等优点。
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法,包括以下步骤:
S1:加热充有K原子的碱金属原子气室,使碱金属原子气室的温度达到200摄氏度,同时利用激光器发出的抽运光对K原子进行激光泵补,利用K原子的原子吸收谱线进行K原子状态的监测,确认K原子到达无自旋交换弛豫的状态;
S2:测量单通道磁场响应灵敏度曲线;
S3:打开可调双光束产生装置;
S4:对所述的可调双光束产生装置进行小范围步长的调节;
S5:测量双通道磁场响应灵敏度;
S6:判断可调双光束产生装置是否调节到了极值点,所述的极值点是可调双光束产生装置产生的双光束间距的极大值或者极小值;如果经过计算机处理程序判断没有到达极值点,则重复步骤S4、S5;如果经过计算机处理程序判断已经到达了极值大值或者极小值点,则跳转到步骤S7;
S7:将测量结果输入到磁场梯度模型中计算得到磁场梯度测量结果。
作为优选,所述步骤S1中激光泵补是利用光与原子相互作用过程,通过施加一定频率的激光从而实现对原子能级上粒子布居数的调控,是将能量从光子转移到电子上的一种过程。
本发明还提供了一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量装置,包括沿光路方向依次设置的激光器、起偏器、旋光器、可调双光束产生装置、碱金属原子气室、检偏器、成像装置以及信号处理装置。
作为优选,所述的可调双光束产生装置包括沿光路方向依次设置的分光镜、若干个反射镜、位移定位装置和三角反射装置,所述位移定位装置可沿水平方向移动,三角反射装置固定在位移定位装置朝向出射光方向的一端。
作为优选,所述分光镜的分光面与水平方向的夹角为45度。
作为优选,所述的三角反射装置设有上反射面和下反射面,上反射面和下反射面垂直且与水平方向的夹角均为45度。
作为优选,所述的分光镜将入射光分成透射光和反射光,透射光和反射光分别经过反射镜的反射后到达三角反射装置的上下两个面被反射后输出给碱金属原子气室。
作为优选,所述的透射光和反射光在到达三角反射装置的上下两个面时处于同一竖直平面上。
本发明的有益效果是:本发明在单束检测光上增加用于SERF原子磁强计磁场测量的可调双光束产生装置来使输出噪声减小、信号响应增强,再通过输出响应信号调节和补偿来提高SERF原子磁强计的磁场梯度检测精度与检测灵敏度,最终获得磁场梯度测量结果;本发明具有结构简单、成本低、易于保养和维护、调节范围大、精密高等优点,未来可应用到各类光泵磁力仪、磁场梯度测量仪器等各类磁场测量仪器中进行磁场梯度的精密测量等领域,发展空间广阔。
附图说明
图1为本发明的测量方法流程图;
图2为本发明的装置结构图;
图3为本发明磁场梯度模型的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
如图2所示,一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量装置,包括沿光路方向依次设置的激光器1、起偏器2、旋光器3、可调双光束产生装置4、碱金属原子气室5、检偏器6、成像装置7以及信号处理装置,所述的可调双光束产生装置4包括分光镜401、若干个反射镜402、位移定位装置403和三角反射装置404,所述位移定位装置403可沿水平方向移动,三角反射装置404固定在位移定位装置403朝向出射光方向的一端,所述分光镜401的分光面与水平方向的夹角为45度,所述的三角反射装置404设有上反射面405和下反射面406,上反射面405和下反射面406垂直且与水平方向的夹角均为45度,所述的分光镜401将入射光分成透射光和反射光,透射光和反射光分别经过反射镜402的反射后到达三角反射装置404的上下两个面被反射后输出给碱金属原子气室5,所述的透射光和反射光在到达三角反射装置404的上下两个面时处于同一竖直平面上。
所述激光器1用于为装置提供稳定的单色相干光,该单色相干光能够用于SERF原子磁强计进行碱金属原子状态的检测,进而进行基于SERF原子磁强计的磁场测量。
所述的起偏器2和旋光器3用于对单色相干光进行偏振方向选择,旋光器3能够对经过起偏器2之后的偏振光进行调制,将起偏器2出射光的偏振方向进行一定角度的旋转;所述的这种旋光器3,利用偏振光的偏振面旋转效应来放大磁场强度,并且具有非常可观的放大比率。
所述的检偏器6能够对经过碱金属原子气室5之后,经过光与碱金属原子气室5中碱金属原子相互作用产生带有待测磁场信息的光信号进行偏振检验;所述的成像装置7能够对经过检偏器装置6之后的偏振光进行光束成像,进而通过对光束信号的解调得到磁场强度信号。
所述的信号处理装置能够对经过成像装置7得到的光束信号进行信号处理,得到磁场强度信号,获取单通道磁场响应灵敏度曲线和双通道磁场响应灵敏度曲线。
本发明首先测量单通道磁场响应灵敏度作为对比和标定,利用可调双光束产生装置进行磁场梯度测量,结合磁场信号响应曲线,得到磁场梯度测量结果。以基于碱金属原子钾(K)的SERF原子磁强计为例。磁场测量的信号强度是随着碱金属原子密度的增加而增强的,因此通过提高气室中的碱金属原子密度来实现磁强计灵敏度的提升,所以首先将充有K原子的碱金属原子气室加热到SERF态;通过测量单通道磁场响应灵敏度对磁场响应系数进行标定;再打开可调双光束产生装置产生双光束检测光进行磁场测量;通过调节可调双光束产生装置进行磁场测量范围,获得不同位置的磁场强度信号;最后,通过计算获得空间中磁场梯度的测量结果。这一测量方法可应用到各类光泵磁力仪、磁场梯度测量仪器等各类磁场测量仪器中进行磁场梯度的精密测量。
具体测量方法及步骤如图1所示:
S1:在无可调双光束产生装置的情况下,加热充有K原子的碱金属原子气室,使碱金属原子气室5的温度达到200摄氏度,激光器1发出的抽运光经过起偏器2、旋光器3后对碱金属原子气室5内的K原子进行激光泵补,利用K原子的原子吸收谱线进行K原子状态的监测,确认K原子到达无自旋交换弛豫的状态;
S2:经过碱金属原子气室5后带有待测磁场信息的光信号通过检偏器6进行偏振检验,之后在成像装置7中成像并通过解调得到磁场强度信号,从而获得单通道磁场响应灵敏度的数据,绘制成单通道磁场响应灵敏度曲线;
S3:打开可调双光束产生装置,使激光器1发出的抽运光经过起偏器2、旋光器3后进入可调双光束产生装置4,被可调双光束产生装置4分离两束光进入碱金属原子气室5,即从单通道变换为双通道;
S4:对所述的可调双光束产生装置进行小范围步长的调节;
S5:按步骤S2的方法测量双通道磁场响应灵敏度;
S6:判断可调双光束产生装置是否调节到了极值点,所述的极值点是可调双光束产生装置产生的双光束间距的极大值或者极小值;如果经过计算机处理程序判断没有到达极值点,则重复步骤S4、S5;如果经过计算机处理程序判断已经到达了极值大值或者极小值点,则跳转到步骤S7;
S7:将测量结果输入到磁场梯度模型中计算得到磁场梯度测量结果。
其中,所述步骤S1中激光泵补是利用光与原子相互作用过程,通过施加一定频率的激光从而实现对原子能级上粒子布居数的调控,是将能量从光子转移到电子上的一种过程。
所述步骤S6中的计算机处理程序是利用Matlab等计算机软件编写的计算机程序,可以实现对一种基于可调双光束SERF原子磁强计装置的磁场梯度测量方法实现自动化的程序。
所述步骤S7中的磁场梯度模型具体是:
Figure 957745DEST_PATH_IMAGE002
, (1)
其中G为磁场梯度,H1和H2分别为两束经过碱金属原子气室5之后的偏振光测得的磁场强度,D为两束经过碱金属原子气室5之后的偏振光之间的间距,
Figure 999519DEST_PATH_IMAGE004
为磁场强度单位矢量。
Figure 746633DEST_PATH_IMAGE006
, (2)
其中D1为调节可调双光束产生装置之前的两束可调双光束产生装置输出光的间距;D2为调节可调双光束产生装置之后的两束可调双光束产生装置输出光的间距,d为调节可调双光束产生装置的位移量,如图3所示。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法,其特征在于:测量装置包括沿光路方向依次设置的激光器、起偏器、旋光器、可调双光束产生装置、碱金属原子气室、检偏器、成像装置以及信号处理装置,测量方法包括以下步骤:
S1:加热充有K原子的碱金属原子气室,使碱金属原子气室的温度达到200摄氏度,同时利用激光器发出的抽运光对K原子进行激光泵补,利用K原子的原子吸收谱线进行K原子状态的监测,确认K原子到达无自旋交换弛豫的状态;
S2:经过碱金属原子气室后带有待测磁场信息的光信号通过检偏器进行偏振检验,之后在成像装置中成像并通过解调得到磁场强度信号,从而获得单通道磁场响应灵敏度的数据,绘制成单通道磁场响应灵敏度曲线;
S3:打开可调双光束产生装置,使激光器发出的抽运光经过起偏器、旋光器后进入可调双光束产生装置,被可调双光束产生装置分离两束光进入碱金属原子气室,即从单通道变换为双通道;
S4:对所述的可调双光束产生装置进行小范围步长的调节;
S5:按步骤S2的方法测量双通道磁场响应灵敏度,获得两个通道分别测量到的磁场强度H1、H2;调整可调双光束产生装置,使双光束间距改变,位移量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
,其中D1为调节可调双光束产生装置之前的两束可调双光束产生装置输出光的间距;D2为调节可调双光束产生装置之后的两束可调双光束产生装置输出光的间距;
S6:判断可调双光束产生装置是否调节到了极值点,所述的极值点是可调双光束产生装置产生的双光束间距的极大值或者极小值;如果经过计算机处理程序判断没有到达极值点,则重复步骤S4、S5;如果经过计算机处理程序判断已经到达了极值大值或者极小值点,则跳转到步骤S7;
S7:将步骤S5的测量结果输入到磁场梯度模型
Figure DEST_PATH_IMAGE002
中计算得到磁场梯度测量结果;其中G为磁场梯度,H1和H2分别为两束经过碱金属原子气室之后的偏振光测得的磁场强度,D为两束经过碱金属原子气室之后的偏振光之间的间距,
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为磁场强度单位矢量。
2.根据权利要求1所述的一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法,其特征在于:所述步骤S1中激光泵补是利用光与原子相互作用过程,通过施加一定频率的激光从而实现对原子能级上粒子布居数的调控,是将能量从光子转移到电子上的一种过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法,其特征在于:所述的可调双光束产生装置包括沿光路方向依次设置的分光镜、若干个反射镜、位移定位装置和三角反射装置,所述位移定位装置可沿水平方向移动,三角反射装置固定在位移定位装置朝向出射光方向的一端。
4.根据权利要求3所述的一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法,其特征在于:所述分光镜的分光面与水平方向的夹角为45度。
5.根据权利要求3所述的一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法,其特征在于:所述的三角反射装置设有上反射面和下反射面,上反射面和下反射面垂直且与水平方向的夹角均为45度。
6.根据权利要求4所述的一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法,其特征在于:所述的分光镜将入射光分成透射光和反射光,透射光和反射光分别经过反射镜的反射后到达三角反射装置的上下两个面被反射后输出给碱金属原子气室。
7.根据权利要求6所述的一种基于可调双光束SERF原子磁强计的磁场梯度测量方法,其特征在于:所述的透射光和反射光在到达三角反射装置的上下两个面时处于同一竖直平面上。
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