基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪及使用方法技术

本发明专利技术涉及一种基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪及使用方法，属于弱磁场检测技术领域。所述原子磁力仪包含由一号895nm DFB半导体激光器、一号凸透镜、二号凸透镜、一号线偏振片和λ/4玻片组成的抽运光路、由二号895nm DFB半导体激光器、三号凸透镜、四号凸透镜、二号线偏振片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器组成的探测光路、由互相正交的一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈、三号亥姆霍兹线圈组成的三维磁场产生装置、加热装置、原子气室、锁定放大器、信号处理系统。本发明专利技术由于采用了纵向的磁场调制，能够较大程度减小技术噪声，因而此发明专利技术能够实现极高的灵敏度。另外，利用纵向磁场调制可以减小轴间的串扰，使检测的磁场方向更加精确。

【技术实现步骤摘要】
基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪及使用方法
本专利技术涉及一种原子磁力仪，具体是一种基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪及使用方法，属于弱磁场检测

技术介绍
在生物医学、地质勘查、核磁共振信号检测以及基础物理研究等许多至关重要的领域，迫切需要对微弱磁场进行有效的检测。目前，常见的磁力仪主要有磁通门、感应式拾波线圈、质子磁力仪、超导量子干涉器件以及原子磁力仪。这些磁力仪各有特色，针对不同的需求，目前已广泛地应用于不同的领域中。相比于其他磁力仪，超导量子干涉器件与原子磁力仪能够实现极高的灵敏度。对于超导量子干涉器件，其已实现量级的灵敏度，并已投入实际应用。然而，超导量子干涉器件由于需要庞大的制冷设备，使用不便，限制了其应用范围。原子磁力仪是基于自旋进动检测的磁力仪。对于传感原子(碱金属原子或4He)，原子的总自旋角动量会绕着外磁场进动，进动的频率与外磁场的比值为一常数。通过检测自旋进动的频率即可实现对外磁场的检测。在光抽运的作用下，由于大量的传感原子处于相干状态，原子磁力仪的灵敏度极高。它的理论灵敏度高于超导量子干涉器件，且目前在实验室，原子磁力仪获取的最佳灵敏度已达量级。并且原子磁力仪不需要庞大的制冷设备，因此其比超导量子干涉器件应用情景更加广泛。在一些应用领域，如基础物理研究，不仅希望知道微弱磁场的大小，而且需要对磁场的方向进行精确的测定。超导量子干涉器件只敏感某一特定方向的磁场，因而可作为一个矢量磁力仪使用。然而，原子磁力仪通过检测自旋进动的频率推导出磁场的大小，决定了其标量装置的本性。尽管如此，通过采取一定的手段，也能够实现原子磁力仪的矢量探测，进而扩展其应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过纵向磁场调制以及实时反馈控制，实现一种无磁屏蔽、高稳定性、高灵敏度的三轴矢量原子磁力仪，对磁场的强度与方向进行实时测量。本专利技术基于以下原理：选取三维直角坐标系，坐标系的三个轴分别为x轴、y轴与z轴。在沿纵向(设定为z轴方向)抽运光的作用下，原子磁力仪的传感原子系综将被极化，大量的传感原子处于相干状态，宏观上可用磁化强度矢量来表征这一状态。磁化强度矢量会绕着传感原子系综处的磁场进动。当在纵向施加调制磁场B1cos(ω1t)时，B1为调制磁场的幅值，ω1为调制磁场的频率，磁化强度矢量随时间t的演化满足如下Bloch方程:其中，γ为传感原子的旋磁比；T2与T1分别为原子自旋的横向驰豫时间与纵向驰豫时间；Bx、By与Bz分别为磁场沿x轴、y轴与z轴方向的分量；Mx、My与Mz分别为磁化强度矢量沿x轴、y轴与z轴方向的分量；M0为不施加调制磁场时，在抽运光的作用下，热平衡时z轴方向的磁化强度。由上方程可得，当|Bx|<<|Bz|、|By|<<|Bz|，且|γBx|<<1/T1、|γBy|<<1/T1时，x轴方向磁化强度Mx满足如下关系式：式中，n与p均为整数，Rc＝γBz+nω1,kB＝γB1/ω1，Jn、Jn+p与Jn-p分别为n阶、n+p阶与n-p阶贝塞尔函数。选定p次谐波，对Mx分别进行同向与正交解调，同向解调信号与正交解调信号的均方根用MR表示，即MR信号。若横向磁场不为0，即Bx与By不同时为0，对于特定的n次共振，由式(2)可得，MR关于ω1中心对称，中心共振频率为-γBz/n。因此，通过跟踪中心共振频率，即可得到Bz。当ω1为中心对称频率，即Rc＝0时，由式(2)可得，同向解调信号Si与正交解调信号Sq为：Si＝kiBy，Sq＝kqBx.(3)其中，ki＝-T2MzγJn(kB)[Jn+p(kB)+Jn-p(kB)]/2，kq＝T2MzγJn(kB)[Jn+p(kB)-Jn-p(kB)]/2。因此，可从同向解调信号Si与正交解调信号Sq中分别提取得到By与Bx。本专利技术采用的技术方案为：一种基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪，包含由一号895nmDFB半导体激光器、一号凸透镜、二号凸透镜、一号线偏振片和λ/4玻片组成的抽运光路、由二号895nmDFB半导体激光器、三号凸透镜、四号凸透镜、二号线偏振片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器组成的探测光路、由互相正交的一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈、三号亥姆霍兹线圈组成的三维磁场产生装置、加热装置、原子气室、锁定放大器、信号处理系统。所述原子气室中充有133Cs原子与缓冲气体；所述抽运光路沿z轴方向传播，用于极化原子气室中的133Cs原子，以大幅提高x轴方向磁化强度Mx，从而提高三轴矢量原子磁力仪的灵敏度；所述探测光路沿x轴方向传播，用于探测x轴方向磁化强度Mx；所述组成三维磁场产生装置的一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈与三号亥姆霍兹线圈均由铜线绕制，用于产生磁场，一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈与三号亥姆霍兹线圈分别产生沿x轴、z轴与y轴方向的磁场；所述加热装置包含铜夹具、无磁电阻加热片以及无磁温度传感器，其中铜夹具用于固定原子气室，无磁电阻加热片用于对原子气室进行加热，以适当提高原子气室内133Cs原子蒸汽密度，从而提高三轴矢量原子磁力仪的灵敏度，无磁温度传感器用于测量原子气室的温度；所述锁定放大器用于同向与正交解调探测光路探测的Mx信号，其参考频率由信号处理系统调节；所述信号处理系统包含数据采集卡与计算机，负责信号的采集、产生与处理，同时用于驱动与控制三维磁场产生装置，实时补偿原子气室处的磁场并提供调制磁场，信号处理系统还用于驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定。一号895nmDFB半导体激光器输出的抽运光经过一号凸透镜与二号凸透镜后被扩束准直，再由一号线偏振片和λ/4玻片将其转变为圆偏振光。随后，圆偏振光照射原子气室，实现对原子气室中133Cs原子的极化。二号895nmDFB半导体激光器输出的探测光经过三号凸透镜与四号凸透镜后被扩束准直，再经过二号线偏振片后照射原子气室，探测光与原子气室中133Cs原子相互作用后，探测光的偏振面会受到x轴方向磁化强度Mx的调制。穿过原子气室的探测光依次经过λ/2玻片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器，平衡探测器的输出信号反映探测光偏振面的变化。平衡探测器的输出信号被锁定放大器同向与正交解调后，由信号处理系统采集锁定放大器的输出信号。信号处理系统驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定。信号处理系统驱动与控制三维磁场产生装置，实时补偿原子气室处的磁场并提供调制磁场，通过调节三维磁场产生装置产生的调制磁场的频率，跟踪MR信号的中心共振频率，根据此频率得到Bz，同时从同向解调信号与正交解调信号中分别提取得到By与Bx。本专利技术还提供一种上述装置的使用方法，该方法包括以下步骤：步骤一，信号处理系统产生远离磁共振频率|γB|的高频振荡电流，B为磁场的强度，输入到加热装置中的无磁电阻加热片，对原子气室进行加热，并采集加热装置中的无磁温度传感器测量得到原子气室的温度值，通过反馈控制，调节高频振荡电流的幅值，以稳定原子气室的温度。步骤二，打开一号895nmDFB半导体激光器，将其调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出抽运光，抽运光沿着z轴方向的抽运光路传播，开始极化原子气室中133Cs原子；打开二号895nmDFB半导体激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：所述磁力仪包含由一号895nm DFB半导体激光器、一号凸透镜、二号凸透镜、一号线偏振片和λ/4玻片组成的抽运光路、由二号895nm DFB半导体激光器、三号凸透镜、四号凸透镜、二号线偏振片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器组成的探测光路、由互相正交的一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈、三号亥姆霍兹线圈组成的三维磁场产生装置、加热装置、原子气室、锁定放大器、信号处理系统；所述原子气室中充有

【技术特征摘要】
1.一种基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪，其特征在于：所述磁力仪包含由一号895nmDFB半导体激光器、一号凸透镜、二号凸透镜、一号线偏振片和λ/4玻片组成的抽运光路、由二号895nmDFB半导体激光器、三号凸透镜、四号凸透镜、二号线偏振片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器组成的探测光路、由互相正交的一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈、三号亥姆霍兹线圈组成的三维磁场产生装置、加热装置、原子气室、锁定放大器、信号处理系统；所述原子气室中充有133Cs原子与缓冲气体；所述抽运光路沿z轴方向传播，用于极化原子气室中的133Cs原子，以大幅提高x轴方向磁化强度Mx，从而提高三轴矢量原子磁力仪的灵敏度；所述探测光路沿x轴方向传播，用于探测x轴方向磁化强度Mx；所述组成三维磁场产生装置的一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈与三号亥姆霍兹线圈均由铜线绕制，用于产生磁场，一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈与三号亥姆霍兹线圈分别产生沿x轴、z轴与y轴方向的磁场；所述加热装置包含铜夹具、无磁电阻加热片以及无磁温度传感器，其中铜夹具用于固定原子气室，无磁电阻加热片用于对原子气室进行加热，以适当提高原子气室内133Cs原子蒸汽密度，从而提高三轴矢量原子磁力仪的灵敏度，无磁温度传感器用于测量原子气室的温度；所述锁定放大器用于同向与正交解调探测光路探测的Mx信号，其参考频率由信号处理系统调节；所述信号处理系统包含数据采集卡与计算机，负责信号的采集、产生与处理，同时用于驱动与控制三维磁场产生装置，实时补偿原子气室处的磁场并提供调制磁场，信号处理系统还用于驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定；一号895nmDFB半导体激光器输出的抽运光经过一号凸透镜与二号凸透镜后被扩束准直，再由一号线偏振片和λ/4玻片将其转变为圆偏振光；随后，圆偏振光照射原子气室，实现对原子气室中133Cs原子的极化；二号895nmDFB半导体激光器输出的探测光经过三号凸透镜与四号凸透镜后被扩束准直，再经过二号线偏振片后照射原子气室，探测光与原子气室中133Cs原子相互作用后，探测光的偏振面会受到x轴方向磁化强度Mx的调制；穿过原子气室的探测光依次经过λ/2玻片、沃拉斯特棱镜和平衡探测器，平衡探测器的输出信号反映探测光偏振面的变化，平衡探测器的输出信号被锁定放大器同向与正交解调后，由信号处理系统采集锁定放大器的输出信号；信号处理系统驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定；信号处理系统驱动与控制三维磁场产生装置，实时补偿原子气室处的磁场并提供调制磁场，通过调节三维磁场产生装置产生的调制磁场的频率，跟踪MR信号的中心共振频率，根据此频率得到Bz，同时从同向解调信号与正交解调信号中分别提取得到By与Bx。2.一种如权利要求1所述装置的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，信号处理系统产生远离磁共振频率|γB|的高频振荡电流，B为磁场的强度，输入到加热装置中的无磁电阻加热片，对原子气室进行加热，并采集加热装置中的无磁温度传感器测量得到原子...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁志超，袁杰，龙兴武，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43