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

摘要

本发明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的磁场测量精度，可以消除由魔角而引起的测量死区问题。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：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

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B

步骤4：调节频率调制器的调制频率Ω

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B

步骤6：调节频率调制器的调制频率Ω

步骤7：根据测得的待测磁场B

本发明的有益效果在于：

本发明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

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

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明属于原子磁力仪技术领域。本发明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。本发明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。本发明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。本发明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。

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。

被频率调制的激光器1发出的中心频率为激发原子共振的激光经过衰减器2功率得到调节，起偏器3使激光成为线偏振激光，旋转λ/2波片4使线偏振光具有Y轴方向的极化，线偏振光进入原子气室5极化其中的原子，产生张量磁矩，磁矩绕待测磁场B

所述的激光器1保持频率恒定，输出的光功率约为10-20μW，可以低功率发射，激光器具有低功耗的优点，且不需要对激光功率进行额外稳功率控制。

所述的衰减器2用于调节激光功率。

所述的起偏器3使激光成为线偏振光。

所述的λ/2波片4用于旋转线偏振光的极化方向。

所述的原子气室5充有碱金属原子(K、Rb、Cs)气体，且气室内表面涂覆抗极化弛豫的高分子材料，以减小极化原子与器壁碰撞对原子极化造成的影响。

所述的极化旋转探测器6用于探测磁光旋转，并输出磁光旋转信号。

所述的第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2，通过给其馈入直流电的方式，可以施加Z轴方向的静磁场。

所述的第三磁场线圈7-3、第四磁场线圈7-4，通过给其馈入直流电的方式，可以施加Y轴方向的静磁场。

所述的锁相放大器8用于分析透过原子气室5后，透射激光偏振旋转在拉莫尔频率成分，及两倍拉莫尔频率成分的振幅。

所述的频率调制器9用于对激光器1发出的激发原子共振的激光进行频率调制。

所述的第一直流电源10-1为第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2提供稳定的电流。

所述的第二直流电源10-2为第三磁场线圈7-3、第四磁场线圈7-4提供稳定的电流。

所述的PC机11用来记录待测矢量磁场在三个坐标轴上的投影。

一种利用激光调频非线性磁光旋转测量矢量磁场的方法，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

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B

步骤4：调节频率调制器的调制频率Ω

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B

步骤6：调节频率调制器的调制频率Ω

步骤7：根据测得的待测磁场B

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了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。本发明可以消除由魔角而引起的测量死区问题，且在一定范围内，激光调频振幅和激光强度不会影响本发明的测量精度。

实施例1：

图1为本发明中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。其中左上角为所建立的直角坐标系示意图，此处坐标原点建立在原子气室，激光沿X轴正方向传播，并沿Y轴方向偏振，B

各部件之间的组装关系如下：原子气室5置于待测磁场中，被频率调制的激光器1发出中心频率为激发原子共振的激光，其依经过衰减器2、起偏器3、λ/2波片4、原子气室5、极化探测器6；锁相放大器8和PC机11连接，记录磁矩进动的振幅及对应的调制频率，同时控制直流电源10产生所需的补偿静磁场；频率调制器9为锁相放大器8提供频率参考，同时对激光器1进行频率调制；第一直流电源10-1向第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2馈入直流电产生Z方向的补偿静磁场，第二直流电源10-2向第三磁场线圈7-3、第四磁场线圈7-4馈入直流电产生Y方向的补偿静磁场。

所述非线性磁光旋转磁力仪工作原理如下：如图1所示，首先建立XOYZ直角坐标系，被频率调制的激光器1发出中心频率为激发原子共振的激光经过衰减器2后功率得到调节，起偏器3使激光成为线偏振激光，旋转λ/2波片4使线偏振光具有Y轴方向的极化，线偏振光进入原子气室5极化其中的原子，获得张量磁矩，磁矩绕待测磁场B

研究发现，当调制频率Ω

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。