塞曼分裂矢量磁强计设备及方法技术

本申请案涉及塞曼分裂矢量磁强计设备及方法。磁强计(100)用于测量靠近所述磁强计的外部磁场影响。所述磁强计具有：(i)容积式外壳(112)，其用于存储碱金属；(2)激光器(114)，其靠近所述容积式外壳并具有第一维度中的轴线，并且将光子沿所述第一维度引导朝向所述容积式外壳的第一表面；(3)光电检测器(118)，其靠近所述容积式外壳的第二表面并用于接收从所述激光器发出并行进通过所述容积式外壳的光，其中所述光电检测器用于响应于从所述激光器发出并行进通过所述容积式外壳的光的强度而提供光电检测器信号；及(4)至少一个磁场缩减器(线圈Cx)，用于提供正交于所述第一维度的第二维度中的磁场。

【技术实现步骤摘要】
塞曼分裂矢量磁强计设备及方法相关申请案的交叉参考不适用。关于联邦资助研究或开发的声明不适用。
优选实施例涉及磁强计，并且更特定来说涉及塞曼分裂矢量磁强计设备及方法。
技术介绍
磁强计测量磁场并用于众多领域及努力，其包含科学实验及观察、医疗系统及军事应用。原子磁强计非常灵敏，借此允许测量甚至相对于地球磁场也极小的磁力。然而，此类装置通常涉及多个激光器并且通常仅测量磁场强度(即，标量)或方向，而为将强度及方向两者确定为完整矢量，可能需要复杂或重复的设备。作为进一步的背景，现有技术包括使用蒸气室的用于原子磁强计的各种方法，在蒸气室中碱金属(例如，铯或铷)的加热原子经由缓冲气体悬浮，并且两个激光器经定向以在彼此垂直的路径中发射光子通过室。第一个激光器被认为是一个泵浦激光器，因为其将光子泵入碱性原子中，以便于通过填充自旋态来使原子极化，而第二(及低功率的)激光器被认为是探测激光器，因为其测量极化原子自旋进动的频率，也称为拉莫尔(Larmor)频率，以便于确定与所测量的拉莫尔频率成比例的磁场的振幅。然而，如上所述，此方法仅测量磁场标量振幅，而不测量方向。为获得完整的磁矢量(即，振幅及方向)，此方法可封装有三个不同的磁强计，每一磁强计定向在彼此正交的平面中，但此方法的成本及复杂性增加。因此，虽然现有技术方法已满足各种需求，但本专利技术人试图改进现有技术，如下文进一步详述。
技术实现思路
在优选实施例中，存在一种磁强计，其用于测量靠近所述磁强计的外部磁场影响。所述磁强计包括：(i)容积式外壳，其用于存储碱金属；(2)激光器，其靠近所述容积式外壳并具有第一维度中的轴线，并且沿所述第一维度将光子引导朝向所述容积式外壳的第一表面；(3)光电检测器，其靠近所述容积式外壳的第二表面并用于接收从所述激光器发出并行进通过所述容积式外壳的光，其中所述光电检测器用于响应从所述激光器发出并行进通过所述容积式外壳的光的强度而提供光电检测器信号；及(4)至少一个磁场缩减器，其用于提供正交于所述第一维度的第二维度中的磁场。在其它优选实施例中，所述磁强计包括用于测量外部磁性影响的额外设备，例如处理器，其响应于所述光电检测器信号，用于测量所述第一维度中的所述外部磁性影响的第一磁场强度，以及响应于所述至少一个磁场缩减器及额外磁场缩减器，所述处理器测量分别对应于所述第二维度及第三维度的相应第二磁场强度及第三磁场强度，所述第三维度正交于所述第一维度及所述第二维度。还揭示及主张许多众多其它专利技术方面。附图说明图1说明优选实施例磁强计的通用电及功能框图，其中从维度的角度而不是相对于磁强计室的实际物理附接来展示所说明的线圈。图2说明操作图1的磁强计的优选实施例方法的流程图。图3说明在图2的方法中测量的光强度曲线的实例的一般说明。图4说明外部磁场的三维图，并将其分解为Bx、By及Bz。图5A重复图3的曲线P1及P2的说明，其中曲线P2，其中曲线P2已响应于由来自图1的磁强计中的第一线圈提供的场的反向磁场而减小。图5B重复图5A的曲线P1及P2的说明，其中曲线P2已响应于来自由图1的磁强计中的第二线圈提供的场的反向磁场而减小到零。具体实施方式图1说明优选实施例磁强计100的电及功能框图，正如其名称所暗示的那样，其可操作以测量装置区域中的磁场。事实上，如下文详细描述，磁场的振幅及方向都可由磁强计100确定，磁强计100由专利技术性设备及方法实施，如所属领域的技术人员鉴于本文的教示将会理解的那样。磁强计100包含室112，室112为具有各种形状并且通过实例展示为立方体的具有透明(例如，玻璃)侧的容积式外壳，且其提供容积，通过所述容积来自邻近激光器114的光子可被投射朝向并在各种情况下通过室112。优选地，与现有技术一样，室112的容积存储原子，优选地碱金属(例如铯)的原子。碱金属原子可经由一种缓冲气体(例如氮气)或多种气体悬浮，所述缓冲气体经选择以便于不妨碍光通过，并且其中室112也被单独设备(未展示)加热以提供蒸气。在优选实施例中，激光器114可操作以按照由处理器116提供并由处理器116调整的选定调谐频率ft发射光子，并且如上所述，发射的光子被引导朝向室112。激光器114可在一个优选实施例中被实施为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其为基于半导体的激光二极管，其沿视线或某一方向性(如展示为与其顶部表面正交的轴线114EAX)发射高效光束，其中通过实例的方式，因此束方向在半导体裸片水平时是垂直的。在任何情况下，激光轴线114EAX被引导朝向室112，使得激光光子行进通过室玻璃并与室112内的碱金属原子相互作用。在这方面并且为了定向及稍后的论述，图1通过参考的方式说明轴线114EAX沿三维空间中的z维度。应进一步注意，激光器114的精确度允许其通过调整调谐频率ft的电压/电流来激发，以便于在基频周围产生边带峰值，其中如稍后详细描述，每一边带向室112中的原子提供相应激发能量频率。然后，通过以适当的RF频率激发VCSEL激光器，激光器以2xfRF的距离发射两个边带，并且这两个光子流是相干的(即参考同一相位)，因为它们来自同一源。在优选实施例中，如稍后详细描述，选择到VCSEL激光器的激发RF的频率，使得两个边带之间的频率差与两个量子态之间的能量完全一致，在这两个量子态之间需要相干布居俘获(CPT)。此外并如稍后详述，调谐频率ft的可调整性允许以来自激光器114的光子形式的电磁辐射被施加在室112中的碱金属原子上，以便于实现能量与原子之间的相干相互作用。最后，注意在替代优选实施例中，可使用两个激光器来代替单个激光器114，其中两个激光器以共同或固定相位为参考(所谓的激光锁定或模式锁定)，并且每一激光器发射对应于两个量子态之间的不同能量的相应不同频率，但是维持频率之间的相干性是势在必行的并且可能比VSEL更难以实现；此外，用这种两个激光器替代方案，接着优选地，这两个激光器是平行的且理想地叠置于询问室112(例如，通过具有同轴发射轴线)。磁强计100还包含光电检测器(PD)118，光电检测器118邻近室112并在室112的相对于室112从激光器114接收光子的位置的相对侧定位。因此，PD118在室112的相对侧上沿从激光器114发出的光发射轴线114EAX对准，因此其也沿z轴线定位PD118。因此，大意是说，由激光器114发射的光行进通过室112，接着PD接收此光并且如PD技术中已知的那样提供与所接收的光的强度成比例的电压信号vPD。此外，如稍后详细描述，行进通过室112的光的量以及因此电压信号vPD的振幅部分地由室112内原子对能量的响应的调制。电压信号vPD连接到处理器116，这可能是通过模/数接口实现，以便促进磁强计100的系统中的量子效应的频谱分析，以便最终确定在室112附近的外部磁场的振幅及方向性，其中所述场在此文献中被设计为因此，在这方面，如其名称所暗示，磁强计实现磁场的测量，其中在优选实施例中，所述测量包括振幅及方向两者。进一步结合处理器16的操作来确定磁强计100还优选地包含多个磁场缩减器，每一磁场缩减器优选地呈线圈的形式，如图1中展示为线圈Cx、Cy及Cz，其中如稍后详述，三个线圈中的一者(例如，Cz)是任选的。每一线圈标志符下标(即，x、y或z)进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁强计，其用于测量靠近所述磁强计的外部磁场影响，所述磁强计包括：容积式外壳，其用于存储碱金属；激光器，其靠近所述容积式外壳并且具有在第一维度中的轴线并且沿所述第一维度将光子引导朝向所述容积式外壳的第一表面；光电检测器，其靠近所述容积式外壳的第二表面并用于接收从所述激光器发出并行进通过所述容积式外壳的光，其中所述光电检测器用于响应于从所述激光器发出并行进通过所述容积式外壳的光的强度来提供光电检测器信号；及至少一个磁场缩减器，其用于提供正交于所述第一维度的第二维度中的磁场。

【技术特征摘要】
2017.07.31 US 15/665,2821.一种磁强计，其用于测量靠近所述磁强计的外部磁场影响，所述磁强计包括：容积式外壳，其用于存储碱金属；激光器，其靠近所述容积式外壳并且具有在第一维度中的轴线并且沿所述第一维度将光子引导朝向所述容积式外壳的第一表面；光电检测器，其靠近所述容积式外壳的第二表面并用于接收从所述激光器发出并行进通过所述容积式外壳的光，其中所述光电检测器用于响应于从所述激光器发出并行进通过所述容积式外壳的光的强度来提供光电检测器信号；及至少一个磁场缩减器，其用于提供正交于所述第一维度的第二维度中的磁场。2.根据权利要求1所述的磁强计，并且其进一步包括用于响应于以下各项而测量所述外部磁性影响的处理器：所述光电检测器信号，以用于测量所述第一维度中的所述外部磁性影响的第一磁场强度；及所述光电检测器信号，并且响应于所述第二维度中的所述至少一个磁场缩减器的所述磁场，以用于测量所述第二维度中的所述外部磁场影响的第二磁场强度。3.根据权利要求2所述的磁强计：其中所述至少一个磁场缩减器包括第一磁场缩减器；其进一步包括第二磁场缩减器，其用于提供正交于所述第一维度且正交于所述第二维度正交的第三维度中的磁场；且其中所述处理器可进一步响应于所述第二场缩减器操作以用于测量所述第三维度中的所述外部磁场影响的第三磁场强度。4.根据权利要求3所述的磁强计，且其进一步包括：电路，其用于将到所述至少一个磁场缩减器的激励信号调整到第一电平，在所述第一电平处，所述至少一个磁场缩减器提供所述第二维度中的磁场，所述磁场抵消所述第二维度中的所述外部磁场影响使其低于阈值；及电路，其用于将到所述第二磁场缩减器的激励信号调整到第二电平，在所述第二电平处，所述第二磁场缩减器提供所述第三维度中的磁场，所述磁场抵消所述第三维度中的所述外部磁场影响使其低于阈值。5.根据权利要求4所述的磁强计，其中所述处理器包括用于调整到所述至少一个磁场缩减器的激励信号的所述电路以及用于调整到所述第二磁场缩减器的激励信号的所述电路。6.根据权利要求4所述的磁强计：其中所述处理器用于响应于所述第一电平而测量所述第二磁场强度；且其中所述处理器用于响应于所述第二电平而测量所述第三磁场强度。7.根据权利要求4所述的磁强计，其中所述光电检测器信号包括代表所述第一磁场强度的第一组峰值；其中所述光电检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·库克，J·赫布佐默，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US