[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

摘要

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。

主权项

1.一种原子磁力仪的使用方法，该原子磁力仪包含：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895nmDFB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；所述原子气室中充有¹³³Cs原子与缓冲气体，其中¹³³Cs原子为传感原子；所述抽运光路沿z轴方向传播，用于极化原子气室中的¹³³Cs原子，以大幅提高x轴方向磁化强度M_x，从而提高三轴矢量原子磁力仪的灵敏度；所述探测光路沿x轴方向传播，用于探测x轴方向磁化强度M_x；所述组成三维磁场产生装置的一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈与三号亥姆霍兹线圈均由铜线绕制，用于产生磁场，一号亥姆霍兹线圈、二号亥姆霍兹线圈与三号亥姆霍兹线圈分别产生沿x轴、z轴与y轴方向的磁场；所述加热装置包含铜夹具、无磁电阻加热片以及无磁温度传感器，其中铜夹具用于固定原子气室，无磁电阻加热片用于对原子气室进行加热，以适当提高原子气室内¹³³Cs原子蒸汽密度，从而提高三轴矢量原子磁力仪的灵敏度，无磁温度传感器用于测量原子气室的温度；所述锁定放大器用于同向与正交解调探测光路探测的M_x信号，其参考频率由信号处理系统调节；所述信号处理系统包含数据采集卡与计算机，负责信号的采集、产生与处理，同时用于驱动与控制三维磁场产生装置，实时补偿原子气室处的磁场并提供调制磁场，信号处理系统还用于驱动与控制加热装置，使其加热原子气室，并保持原子气室温度的稳定；其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，信号处理系统产生远离磁共振频率|γB|的高频振荡电流，γ为传感原子的旋磁比，B为原子气室处的磁场的强度，输入到加热装置中的无磁电阻加热片，对原子气室进行加热，并采集加热装置中的无磁温度传感器测量得到原子气室的温度值，通过反馈控制，调节高频振荡电流的幅值，以稳定原子气室的温度；步骤二，打开一号895nm DFB半导体激光器，将其调节到¹³³Cs原子D1线跃迁共振频率，输出抽运光，抽运光沿着z轴方向的抽运光路传播，开始极化原子气室中¹³³Cs原子；打开二号895nm DFB半导体激光器，将其调节到¹³³Cs原子D1线跃迁共振频率，输出探测光，探测光沿着x轴方向的探测光路传播，开始探测x轴方向磁化强度M_x；锁定放大器同向与正交解调探测光路中平衡探测器输出的信号，信号处理系统采集锁定放大器输出的同向解调信号、正交解调信号和M_R信号，M_R为同向解调信号与正交解调信号的均方根；步骤三，信号处理系统驱动一号亥姆霍兹线圈产生x轴方向的激励磁场，锁定放大器的参考频率取激励磁场的频率；同时，信号处理系统通过调节激励磁场的频率，跟踪采集得到的M_R信号的中心频率ω₀，即磁共振频率|γB|，从而确定原子气室处磁场的强度B＝|ω₀/γ|；信号处理系统通过调节三维磁场产生装置中的电流，并观测磁共振频率，使其逐渐减小，直至接近于0，实现对周围磁场的粗略补偿；步骤四，撤除x轴方向的激励磁场，根据步骤三磁场补偿的结果，信号处理系统调节三维磁场产生装置中的电流，使原子气室处的磁场满足：|B_x|＜＜|B_z|、|B_y|＜＜|B_z|，且|γB_x|＜＜1/T₁、|γB_y|＜＜1/T₁，B_x、B_y与B_z分别为磁场沿x轴、y轴与z轴方向的分量，T₁为原子自旋的纵向驰豫时间；步骤五，信号处理系统驱动二号亥姆霍兹线圈产生z轴方向的调制磁场，锁定放大器选定下式中M_x的p次谐波进行解调，锁定放大器的参考频率取pω₁：式中，T₂为原子自旋的横向驰豫时间，M_z为z轴方向磁化强度，n与p均为整数，R_c＝γB_z+nω₁,k_B＝γB₁/ω₁，J_n、J_n+p与J_n‑p分别为n阶、n+p阶与n‑p阶贝塞尔函数；同时，信号处理系统通过调节调制磁场的频率ω₁，跟踪采集得到的M_R信号的n次共振频率ω_n，即‑γB_z/n，根据此共振频率ω_n以及二号亥姆霍兹线圈沿z轴施加的补偿磁场B_z0，提取得到纵向磁场B_z＝‑nω_n/γ‑B_z0；步骤六，当调制频率已跟踪n次共振频率ω_n时，信号处理系统根据采集得到的同向解调信号S_i与正交解调信号S_q，以及三号亥姆霍兹线圈沿y轴施加的补偿磁场B_y0与一号亥姆霍兹线圈沿x轴施加的补偿磁场B_x0，分别提取得到横向磁场B_y＝S_i/k_i‑B_y0与B_x＝S_q/k_q‑B_x0，其中，k_i＝‑T₂M_zγJ_n(k_B)[J_n+p(k_B)+J_n‑p(k_B)]/2，k_q＝T₂M_zγJ_n(k_B)[J_n+p(k_B)‑J_n‑p(k_B)]/2；步骤七，信号处理系统通过反馈控制，实时补偿原子气室处的磁场，使其维持一定值，且满足：磁场的纵向分量远大于横向分量，且横向分量不为0，即B_x与B_y不同时为0；重复步骤四到步骤六，实现对原子气室处磁场强度与方向的实时测量。