[发明专利]基于纵向磁场调制的三轴矢量原子磁力仪及使用方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明基于以下原理：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: