利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统及方法技术方案

本发明专利技术属于原子磁力仪技术领域，具体涉及一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统及方法。本发明专利技术克服了传统原子标量磁力仪仅能测量磁场大小，不能获得磁场方向的问题。发明专利技术不仅能对磁场大小进行测量，还可以测量磁场的方向，实现了磁场矢量信息的完整测量。本发明专利技术不需要对激光功率进行额外稳功率控制，在一定范围内，激光调频振幅和激光强度不会影响本发明专利技术的磁场测量精度，可以消除由魔角而引起的测量死区问题。而引起的测量死区问题。而引起的测量死区问题。

【技术实现步骤摘要】
利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统及方法


[0001]本专利技术属于原子磁力仪
，具体涉及一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统及方法。

技术介绍

[0002]磁场矢量的精密测量，在军事侦察、矿产勘测、生物磁场探测、磁导航等领域均有着重要的应用。不同的应用情景下，对磁力仪的带宽，灵敏度，空间分辨率等技术指标有着不同的要求。碱金属原子磁力仪，利用光与原子的相互作用，探测碱金属原子最外层价电子在磁场下的进动情况，来实现磁场的精密测量，目前已广泛应用的、技术比较成熟的磁力仪种类包括磁通门磁力仪、核子旋进磁力仪、光泵标量磁力仪和超导磁力仪等，然而这些磁力都是标量磁力仪，不能给出磁场的全部信息；测量并获得磁场的全部信息已成为磁力仪发展的必然趋势。本专利技术提供的原子磁力仪不仅能够测量磁场的大小，还能够测量磁场的方向。且易于可构建矢量磁力仪阵列，实现近距离多点磁矢量独立测量。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供克服传统原子标量磁力仪仅能测量磁场大小，不能获得磁场方向的问题，提供可以实现磁场矢量信息的完整测量且磁场测量精度不依赖于调频振幅和激光强度的一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统。
[0004]本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：包括激光器、原子气室、极化旋转探测器、锁相放大器、频率调制器、第一磁场线圈、第二磁场线圈、第三磁场线圈、第四磁场线圈、第一直流电源和第二直流电源；所述的激光器和极化旋转探测器分别布置在原子气室X轴方向两侧，激光器发出的中心频率为激发原子共振的激光依次经过衰减器、起偏器、λ/2波片、原子气室及极化旋转探测器；所述的频率调制器与激光器连接，用于对激光器发出的激光进行频率调制；所述的第一磁场线圈、第二磁场线圈与第一直流电源连接，第一磁场线圈、第二磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二直流电源连接，第三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Y轴方向两侧。
[0005]本专利技术的目的还在于提供一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的方法。
[0006]本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
[0007]步骤1：布置激光器、原子气室、极化旋转探测器、锁相放大器、频率调制器、第一磁场线圈、第二磁场线圈、第三磁场线圈、第四磁场线圈、第一直流电源和第二直流电源；
[0008]所述的激光器和极化旋转探测器分别布置在原子气室X轴方向两侧，激光器发出的中心频率为激发原子共振的激光依次经过衰减器、起偏器、λ/2波片、原子气室及极化旋转探测器；所述的频率调制器与激光器连接，用于对激光器发出的激光进行频率调制；所述的第一磁场线圈、第二磁场线圈与第一直流电源连接，第一磁场线圈、第二磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二直流电源连接，第
三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Y轴方向两侧；
[0009]步骤2：通过频率调制器对激光器发出的激光进行频率调制，调制频率为Ω
m
；被频率调制的激光器发出的中心频率为激发原子共振的激光依次经过衰减器、起偏器、λ/2波片、原子气室及极化旋转探测器；
[0010]步骤3：通过衰减器调节激光的功率，通过起偏器使激光成为线偏振激光；旋转λ/2波片使线偏振激光具有Y轴方向的极化，具有Y轴方向极化的线偏振光进入原子气室极化其中的原子，产生张量磁矩，磁矩绕待测磁场B0进动；
[0011]步骤4：调节频率调制器的调制频率Ω
m
，使Ω
m
与原子固有的拉莫频率Ω
L
相等；通过第二直流电源向第三磁场线圈、第四磁场线圈馈入稳定电流，在Y轴方向上施加抵消静磁场，直到谐波振幅为零值，获得待测磁场B0在Y轴方向的分量B
Y
；
[0012]步骤5：旋转λ/2波片将激光偏振方向改变为Z轴方向；通过第一直流电源向第一磁场线圈、第二磁场线圈馈入稳定电流，在Z轴方向上施加抵消静磁场，直到谐波振幅为零值，获得待测磁场B0在Z轴方向的分量B
Z
；
[0013]步骤6：调节频率调制器的调制频率Ω
m
，使Ω
m
＝2Ω
L
；磁矩进动的两倍拉莫尔频率成分振幅最大，利用进动频率与磁场大小的关系获得待测磁场B0在X轴方向上的分量大小B
X
；
[0014]步骤7：根据测得的待测磁场B0在在X轴方向上的分量B
X
、在Y轴方向的分量B
Y
、在Z轴方向的分量B
Z
，获得完整的待测磁场B0的磁矢量信息，实现对矢量磁场的高精度测量。
[0015]本专利技术的有益效果在于：
[0016]本专利技术克服了传统原子标量磁力仪仅能测量磁场大小，不能获得磁场方向的问题。专利技术不仅能对磁场大小进行测量，还可以测量磁场的方向，实现了磁场矢量信息的完整测量。本专利技术不需要对激光功率进行额外稳功率控制，在一定范围内，激光调频振幅和激光强度不会影响本专利技术的磁场测量精度，可以消除由魔角而引起的测量死区问题。
附图说明
[0017]图1为一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统的示意图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图对本专利技术做进一步描述。
[0019]本专利技术属于原子磁力仪
本专利技术的目的是克服传统原子标量磁力仪仅能测量磁场大小，不能获得磁场方向的问题，提供一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统及方法。本专利技术可以实现磁场矢量信息的完整测量，且磁场测量精度不依赖于调频振幅和激光强度。本专利技术不仅能对磁场大小进行测量，还可以测量磁场的方向，且易于可构建矢量磁力仪阵列，通过激光调制激发磁矩进动解决了射频磁场激发所引起的串扰问题。本专利技术不需要对激光功率进行额外稳功率控制，且不存在魔角(Magic angle)死区。
[0020]一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统，包括激光器1、原子气室5、极化旋转探测器6、锁相放大器8、频率调制器9、第一磁场线圈7
‑
1、第二磁场线圈7
‑
2、第三磁场线圈7
‑
3、第四磁场线圈7
‑
4、第一直流电源10
‑
1、第二直流电源10
‑
2、PC机11；所述的激光器和极化旋转探测器分别布置在原子气室X轴方向两侧，激光器发出的中心频率为激
发原子共振的激光依次经过衰减器2、起偏器3、λ/2波片4、原子气室及极化旋转探测器；所述的频率调制器与激光器连接，用于对激光器发出的激光进行频率调制；所述的第一磁场线圈、第二磁场线圈与第一直流电源连接，第一磁场线圈、第二磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二直流电源连接，第三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Y轴方向两侧。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的系统，其特征在于：包括激光器、原子气室、极化旋转探测器、锁相放大器、频率调制器、第一磁场线圈、第二磁场线圈、第三磁场线圈、第四磁场线圈、第一直流电源和第二直流电源；所述的激光器和极化旋转探测器分别布置在原子气室X轴方向两侧，激光器发出的中心频率为激发原子共振的激光依次经过衰减器、起偏器、λ/2波片、原子气室及极化旋转探测器；所述的频率调制器与激光器连接，用于对激光器发出的激光进行频率调制；所述的第一磁场线圈、第二磁场线圈与第一直流电源连接，第一磁场线圈、第二磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二直流电源连接，第三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Y轴方向两侧。2.一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：布置激光器、原子气室、极化旋转探测器、锁相放大器、频率调制器、第一磁场线圈、第二磁场线圈、第三磁场线圈、第四磁场线圈、第一直流电源和第二直流电源；所述的激光器和极化旋转探测器分别布置在原子气室X轴方向两侧，激光器发出的中心频率为激发原子共振的激光依次经过衰减器、起偏器、λ/2波片、原子气室及极化旋转探测器；所述的频率调制器与激光器连接，用于对激光器发出的激光进行频率调制；所述的第一磁场线圈、第二磁场线圈与第一直流电源连接，第一磁场线圈、第二磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二直流电源连接，第三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Y轴方向两侧；步骤2：通过频率调制器对激光器发出的激光进行频率调制，调制频率为Ω
m...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军海，陈永健，康崇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：