利用射频磁场激发磁矩进动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，具体涉及一种利用射频磁场激发磁矩进动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，可以实现磁场矢量信息的完整测量，且测量的精度不依赖于射频磁场振幅和激光强度。本发明不仅能够测量磁场的模量，还能够测量磁场的方向，可以实现磁场信息的完整测量，且在一定范围内，射频磁场振幅和激光强度不会影响磁场测量的精度。

说明书

技术领域

本发明属于原子磁力仪技术领域，具体涉及一种利用射频磁场激发磁矩进动测量矢量磁场的系统及方法。

背景技术

磁矢量场的精确测量，作为研究物质磁性、分析物质形态的一种重要手段，在实际应用中起着重要作用，例如生物体磁场的测量、地形地貌的研究、材料缺陷的检测、矿产油气的勘察、磁导航、水下磁性目标的定位等。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，不能在高精度测量磁场的过程中获得磁场的全部信息；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。

发明内容

本发明的目的在于提供不仅能够测量磁场的模量，还能够测量磁场的方向的一种利用射频磁场激发磁矩进动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、PD光电探测器、锁相放大器、第一磁场线圈、第二磁场线圈、第三磁场线圈、第四磁场线圈、第一电流源和第二电流源；所述的激光器和PD光电探测器分别布置在原子气室Y轴方向两侧，激光器发出的可激发原子跃迁共振的激光依次经过衰减器、偏振片、λ/2波片、原子气室及PD光电探测器；所述的第一磁场线圈、第二磁场线圈与第一电流源连接，第一磁场线圈、第二磁场线圈分别布置在原子气室X轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二电流源连接，第三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧。

本发明的目的还在于提供一种利用射频磁场激发磁矩进动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、PD光电探测器、锁相放大器、第一磁场线圈、第二磁场线圈、第三磁场线圈、第四磁场线圈、第一电流源和第二电流源；

所述的激光器和PD光电探测器分别布置在原子气室Y轴方向两侧，激光器发出的可激发原子跃迁共振的激光依次经过衰减器、偏振片、λ/2波片、原子气室及PD光电探测器；所述的第一磁场线圈、第二磁场线圈与第一电流源连接，第一磁场线圈、第二磁场线圈分别布置在原子气室X轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二电流源连接，第三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧；

步骤2：激光器发出可激发原子跃迁共振的激光，激光依次经过衰减器、偏振片、λ/2波片后进入原子气室，通过衰减器控制激光功率，通过调节偏振片使激光成为线偏振光，旋转λ/2波片使线偏振光具有Z轴方向的极化；

步骤3：具有Z轴方向的极化的线偏振光进入原子气室后，使基态原子产生磁矩；通过第一电流源向第一磁场线圈、第二磁场线圈馈入交流电，产生沿X轴方向的射频磁场；当射频磁场频率与磁矩进动频率相等时，在锁相放大器上将获得最显著的二次谐波进动幅度，利用进动频率与磁场的正比例关系可求得待测磁场模量|B

步骤4：通过第二电流源向第三磁场线圈、第四磁场线圈馈入直流电，产生沿Z轴方向的抵消静磁场，直到一次谐波振幅为零值，得到B

步骤5：旋转λ/2波片将光偏振改变为X方向，通过第一电流源向第一磁场线圈、第二磁场线圈在馈入交流电基础上再叠加直流成分，产生沿X方向的抵消静磁场，直到一次谐波振幅为零值，得到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，可以实现磁场矢量信息的完整测量，且测量的精度不依赖于射频磁场振幅和激光强度。本发明不仅能够测量磁场的模量，还能够测量磁场的方向，可以实现磁场信息的完整测量，且在一定范围内，射频磁场振幅和激光强度不会影响磁场测量的精度。

附图说明

图1为本发明中一种利用射频磁场激发磁矩进动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。

本发明涉属于原子磁力仪技术领域，具体涉及一种利用射频磁场激发磁矩进动测量矢量磁场的系统及方法。本发明不仅能够测量磁场的模量，还能够测量磁场的方向，可以实现磁场信息的完整测量，且在一定范围内，射频磁场振幅和激光强度不会影响磁场测量的精度。

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，可以实现磁场矢量信息的完整测量，且测量的精度不依赖于射频磁场振幅和激光强度。

本发明利用了碱金属原子气室测量矢量磁场，一种利用射频磁场激发磁矩进动测量矢量磁场的系统，包括激光器1、原子气室5、PD光电探测器、锁相放大器6、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、第一电流源8-1和第二电流源8-2；所述的激光器和PD光电探测器分别布置在原子气室Y轴方向两侧，激光器发出的可激发原子跃迁共振的激光依次经过衰减器2、偏振片3、λ/2波片4、原子气室5及PD光电探测器；所述的第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2与第一电流源连接，第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2分别布置在原子气室X轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二电流源连接，第三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧。

激光器1通过衰减器2以控制激光功率，通过调节偏振片3使激光成为线偏振光，旋转λ/2波片4使线偏振光具有Z轴方向的极化，线偏振光进入原子气室5，使基态原子产生磁矩，通过第一电流源8-1向第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2馈入交流电，产生沿X轴方向的射频磁场，当射频磁场频率与磁矩进动频率相等时，在锁相放大器6上将获得最显著的二次谐波进动幅度，利用进动频率与磁场的正比例关系可求得待测磁场模量|B

所述激光器1，输出的光功率为20-40μW，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。

所述的偏振片3使激光成为线偏振光，极化原子，使原子具有张量磁矩。

所述的λ/2波片4用于旋转线极化的光的极化方向。

所述的原子气室5内可以使用碱金属原子(K、Rb、Cs)等。

所述的锁相放大器6用于分析透射光中拉莫尔进动的一次谐波、二次谐波振幅。

所述的第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2馈入具有直流本底的交流电，产生沿X轴方向振动的射频磁场和用于抵消待测磁场在X轴方向投影的静磁场。

所述的第三磁场线圈7-3、第四磁场线圈7-4馈入直流电，产生用于抵消待测磁场在Z轴方向投影的静磁场。

所述的第一电流源8-1为第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2提供具有直流本底的交流电。

所述的第二电流源8-2为第三磁场线圈7-3、第四磁场线圈7-4提供直流电。

一种利用射频磁场激发磁矩进动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、PD光电探测器、锁相放大器、第一磁场线圈、第二磁场线圈、第三磁场线圈、第四磁场线圈、第一电流源和第二电流源；

所述的激光器和PD光电探测器分别布置在原子气室Y轴方向两侧，激光器发出的可激发原子跃迁共振的激光依次经过衰减器、偏振片、λ/2波片、原子气室及PD光电探测器；所述的第一磁场线圈、第二磁场线圈与第一电流源连接，第一磁场线圈、第二磁场线圈分别布置在原子气室X轴方向两侧；所述的第三磁场线圈、第四磁场线圈与第二电流源连接，第三磁场线圈、第四磁场线圈分别布置在原子气室Z轴方向两侧；

步骤2：激光器发出可激发原子跃迁共振的激光，激光依次经过衰减器、偏振片、λ/2波片后进入原子气室，通过衰减器控制激光功率，通过调节偏振片使激光成为线偏振光，旋转λ/2波片使线偏振光具有Z轴方向的极化；

步骤3：具有Z轴方向的极化的线偏振光进入原子气室后，使基态原子产生磁矩；通过第一电流源向第一磁场线圈、第二磁场线圈馈入交流电，产生沿X轴方向的射频磁场；当射频磁场频率与磁矩进动频率相等时，在锁相放大器上将获得最显著的二次谐波进动幅度，利用进动频率与磁场的正比例关系可求得待测磁场模量|B

步骤4：通过第二电流源向第三磁场线圈、第四磁场线圈馈入直流电，产生沿Z轴方向的抵消静磁场，直到一次谐波振幅为零值，得到B

步骤5：旋转λ/2波片将光偏振改变为X方向，通过第一电流源向第一磁场线圈、第二磁场线圈在馈入交流电基础上再叠加直流成分，产生沿X方向的抵消静磁场，直到一次谐波振幅为零值，得到B

实施例1：

图1所示为一种利用射频磁场激发磁矩进动测量矢量磁场的系统的设计图，包括激光器1、衰减器2、偏振片3、λ/2波片4、原子气室5、PD光电探测器、锁相放大器6、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、第一电流源8-1和第二电流源8-2。其中，坐标原点是原子气室，线偏振激光沿Y轴正向传播，射频磁场沿X轴方向。

各部件之间的组装关系如下：原子气室5置于待测磁场中,激光器1发出可激发原子跃迁共振的激光，其依次经过衰减器2、偏振片3、λ/2波片4、原子气室5及PD光电探测器，利用锁相放大器6分析磁矩共振的谐波；通过第一电流源8-1向第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2馈入具有直流本底的交流电，产生沿X轴方向振荡的射频磁场和沿X轴方向的补偿静磁场；通过第二电流源8-2向第三磁场线圈7-3、第四磁场线圈7-4馈入直流电，可以产生沿Z轴方向的补偿静磁场。

所述共振线偏振光原子矢量磁力仪的工作原理如下：激光器1发射共振激光，通过衰减器2控制激光功率,再通过偏振片3使激光成为线偏振光，旋转λ/2波片4使线偏振光具有Z轴方向的极化，然后进入原子气室5与原子相互作用，产生磁四极矩，通过第一电流源8-1向第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2馈入具有直流本底的交流电，产生沿X轴方向的射频磁场和静磁场，当射频磁场的频率与磁矩进动频率相等时，在锁相放大器6上将获得最显著的二次谐波进动幅度，利用进动频率与磁场大小成正比例关系可求得待测磁场模量|B

其中，激光器1输出的光功率为20-40μW，可以低功率发射，不需要对激光功率进行额外稳功率控制，该激光器具有低功耗的优点。激光经过衰减器2使其光功率得到调节，再进入偏振片使激光成为线偏振光，极化原子，使原子具有磁四极矩。

通过第一电流源8-1向第一磁场线圈7-1、第二磁场线圈7-2馈入具有直流本底的交流电，产生沿X轴方向振荡的射频磁场及补偿静磁场；通过第二电流源8-2向第三磁场线圈7-3、第四磁场线圈7-4馈入直流电，产生沿Z轴方向的补偿静磁场。

原子气室(5)内可以使用碱金属原子(K、Rb、Cs)等，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。

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。