一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法技术

本发明专利技术公开一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法。该方法是恒温下将弱磁场探头置于待测磁场中；调节激光器控制电路，保持激光波长稳定，且保持激光波长与碱金属原子基态能级共振；将偏振片、四分之一波片垂直于激光光束方向；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使激光的偏振变为左旋圆偏振或右旋圆偏振；射频线圈产生与激光光束方向平行的射频场；光电转换器件对左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光探测，将探测到的光强值经数据采集处理设备采集、信号处理，提取原子核的磁共振信息并与电子的磁共振信息进行比较，从而检测光泵磁力仪精度。本发明专利技术的优点是操作简单、只进行一次测量、对待测磁场发生装置要求低。

A New Precision Self-Detection Method for Optical Pump Magnetometer

【技术实现步骤摘要】
一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法
本专利技术属于弱磁测量
，涉及一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法，用于在无标准磁场发生装置的条件下，对光泵磁力仪测量精度进行自检测。
技术介绍
在现代科技中，微弱磁场的探测是一项非常重要的技术。目前，原子磁力仪作为主要的微弱磁场探测仪器之一，种类主要有质子磁力仪、光泵磁力仪等。光泵磁力仪具有良好的灵敏度，但精度较差，为了优化光泵磁力仪的精度，首先需要对精度进行检测，而精度的检测需要获得光泵磁力仪探头所在位置的磁场真值，这就要求待测磁场具有非常好的稳定性和均匀性，对磁场发生装置提出了极高的要求。因此，在一般条件下，很难对磁力仪的精度进行测量。传统的光泵磁力仪测量精度检测方法主要是利用待测磁场发生装置产生一个稳定的待测磁场，先通过高精度的磁场测量装置对待测磁场进行检测和标定，将标定值作为磁场真值，再将待测的光泵磁力仪放入待测磁场内得出测量值，将测量值与磁场真值作比较得到待测光泵磁力仪的测量精度。这种方法存在以下两个缺点：1)由于两次测量位置的不同和磁场的不均匀性而引入测量误差；2)由于待测磁场发生装置输出漂移而引入测量误差。因此，这种方法对待测磁场发生装置提出了很高的要求。
技术实现思路
为了克服目前磁场探测仪器精度检测条件苛刻的问题，本专利技术提供了一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法。这种方法基于原子核的磁共振不受外界干扰的特点，利用两个不同能级的电子磁共振信号提取出原子核的磁共振信息，从而衡量光泵磁共振信号的测量精度，达到对磁场发生装置要求较低的自检测效果。本专利技术的工作机理是：在待测磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，形成磁子能级，分裂情况与待测磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若碱金属原子气体同时处在有一个频率与相邻两个磁子能级间隔相同的射频场中时，则碱金属原子对激光的吸收率最大，测量透射光强大小与激光频率的关系可以得到待测磁场大小。受核自旋的影响，碱金属原子对激光的吸收率将在两个不同的射频场频率时达到极值，这两个射频场频率的差值将包含核自旋信息。由于核自旋信息能够稳定反映外界磁场的真实情况而不受其他因素影响，因此，可根据这两个射频场频率衡量光泵磁共振信号的测量精度。光泵磁力仪包括激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3；激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3通过激光光路连接；所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、偏振片6、四分之一波片7构成；激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次透过偏振片6、四分之一波片7、弱磁场探头2；所述的激光控制电路5由电流源8、温度控制器9构成，其中电流源8与温度控制器9分别控制半导体激光器4的驱动电流和工作温度。所述的弱磁场探头2由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡10构成；所述的信号探测器3由射频线圈11、信号发生器12、光电转换器件13、数据采集处理设备14构成；信号发生器12输出的电信号传递给射频线圈11，输出的同步信号传递给数据采集处理设备14，光电转换器件13采集透过弱磁场探头2的光束的电信号，然后传递给数据采集处理设备14处理。本专利技术对光泵原子磁力仪的调节方法具体是：步骤(1).保持恒温状态下，将弱磁场探头2置于待测磁场中；步骤(2).调节激光光源1：调节激光器控制电路5中电流源8、温度控制器9，保持半导体激光器4发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器4发射出的激光波长与弱磁场探头2中碱金属原子基态能级共振；将偏振片6、四分之一波片7均垂直置于激光光束方向；调节四分之一波片7光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器4发射出的激光的偏振变为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；调节弱磁场探头2的位置，使左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光透过弱磁场探头2；激光波长在偏振片、四分之一波片的波长范围内。步骤(3).调节信号探测器3：信号发生器12输出的信号输入到射频线圈11，由射频线圈11产生射频场，调节射频线圈11的位置，使弱磁场探头2处于射频场中且射频场的方向与激光光束方向平行；光电转换器件13对透过弱磁场探头2的左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件13探测到的光强值与信号发生器12输出信号频率的关系，关系如公式(1)：其中，Y为光电转换器件13探测到的光强值，X为信号发生器12输出信号频率，π是圆周率，k1和k2为比例系数，是定值，υ1和υ2为两个光泵磁共振信号的半高全宽值，对于恒定温度下的包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡，υ1和υ2也为定值，Δf1和Δf2为待测磁场发生装置漂移引起的不同碱金属原子能级的变化，f1和f2为由初始时待测磁场引起的碱金属原子的不同能级分裂，δf为系统误差，其关系如公式(2)、公式(3)、公式(4)：f1-Δf1＝γ1·(B0+ΔB)(2)；f2-Δf2＝γ2·(B0+ΔB)(3)；f1＜f2(4)；其中，γ1和γ2为定值，B0为初始时待测磁场大小，ΔB为待测磁场漂移；将光电转换器件12探测到的光强值经数据采集处理设备14采集、信号处理，根据公式(1),求解Y达到极值时X对应的值X1和X2，其关系如公式(5)、公式(6)：X1＝f1-Δf1-δf(5)；X2＝f2-Δf2-δf(6)；根据公式(2)、公式(3)、公式(5)、公式(6)，求解光泵磁力仪精度误差δB，其关系如公式(7):利用本专利技术方法后，根据公式(7)可知，求解光泵磁力仪精度误差的参数全部来自于光泵磁力仪本身的测量参数，从而消除了由于两次测量位置的不同和磁场的不均匀性而引入的测量误差影响。同时，根据公式(2)、公式(3)、公式(5)、公式(6)、公式(7)可知，公式(7)可转化为：由公式(8)可以看出，精度误差不会受到由于待测磁场发生装置输出漂移而引入的测量误差的影响。本专利技术的优点是：一、操作简单，仅需操作光泵磁力仪中的激光光源、弱磁场探头和信号探测器三个部分；二、只进行一次测量，消除了由于两次测量位置的不同和磁场的不均匀性而引入的测量误差影响；三、对待测磁场发生装置要求低，不会受到由于待测磁场发生装置输出漂移而引入的测量误差的影响。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为本专利技术的详细流程示意图；图3为本专利技术激光控制电路的流程示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的分析。在待测磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，形成磁子能级，分裂情况与待测磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若碱金属原子气体同时处在有一个频率与相邻两个磁子能级间隔相同的射频场中时，则碱金属原子对激光的吸收率最大，测量透射光强大小与激光频率的关系可以得到待测磁场大小。受核自旋的影响，碱金属原子对激光的吸收率将在两个不同的射频场频率时达到极值，这两个射频场频率的差值将包含核自旋信息。由于核自旋信息能够稳定反映外界磁场的真实情况而不受其他因素影响，因此，可根据这两个射频场频率衡量光泵磁共振信号的测量精度。如图1所示，光泵磁力仪包括激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3；激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3通过激光光路连接；如图2所示，所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、偏振片6、四分之一波片7构成；激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次透过偏振片6、四分之一波片7、弱磁场探头本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1).保持恒温状态下，将弱磁场探头置于待测磁场中；步骤(2).调节光泵磁力仪中的激光光源：激光光源包括半导体激光器、激光器控制电路、偏振片、四分之一波片；首先调节激光器控制电路中电流源、温度控制器，保持半导体激光器发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器发射出的激光波长与弱磁场探头中碱金属原子基态能级共振；将偏振片、四分之一波片均垂直置于激光光束方向；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器发射出的激光的偏振变为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；调节弱磁场探头的位置，使左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光透过弱磁场探头；步骤(3).调节光泵磁力仪中的信号探测器：信号探测器包括射频线圈、信号发生器、光电转换器件、数据采集处理设备；信号发生器输出的信号输入到射频线圈，由射频线圈产生射频场，同时输出的同步信号传递给数据采集处理设备，调节射频线圈的位置，使弱磁场探头处于射频场中且射频场的方向与激光光束方向平行；光电转换器件对透过弱磁场探头的左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件探测到的光强值与信号发生器输出信号频率的关系，关系如公式(1)：...

【技术特征摘要】
1.一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1).保持恒温状态下，将弱磁场探头置于待测磁场中；步骤(2).调节光泵磁力仪中的激光光源：激光光源包括半导体激光器、激光器控制电路、偏振片、四分之一波片；首先调节激光器控制电路中电流源、温度控制器，保持半导体激光器发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器发射出的激光波长与弱磁场探头中碱金属原子基态能级共振；将偏振片、四分之一波片均垂直置于激光光束方向；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器发射出的激光的偏振变为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；调节弱磁场探头的位置，使左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光透过弱磁场探头；步骤(3).调节光泵磁力仪中的信号探测器：信号探测器包括射频线圈、信号发生器、光电转换器件、数据采集处理设备；信号发生器输出的信号输入到射频线圈，由射频线圈产生射频场，同时输出的同步信号传递给数据采集处理设备，调节射频线圈的位置，使弱磁场探头处于射频场中且射频场的方向与激光光束方向平行；光电转换器件对透过弱磁场探头的左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件探测到的光强值与信号发生器输出信号频率的关系，关系如公式(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁尚清，李国祝，杨国卿，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33