CN104297702A - 一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法及装置。常规的Bell-Bloom磁强计是利用单光束测量标量磁场，结构简单，测量精度较高，广泛用于各类标量磁场的测量。单光束Bell-Bloom磁强计只能测量标量磁场，而科学研究和生产生活中很多地方需要三轴的磁场信息，即需要用到矢量磁强计。本发明基于单光束Bell-Bloom磁强计，利用原子进动对检测光的自调制作用实现三轴磁场测量。与常见的矢量原子磁强计相比，没有射频线圈和磁屏蔽桶等，所以光路简单，结构紧凑，易于小型化集成化；加热温度较低，所需电子元器件较少，所以降低了***功耗，运行条件更易达到；利用原子进动对检测光的自调制作用，噪声更低，具有很高的检测精度。

Description

一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法及装置，属于原子磁强计技术领域。

背景技术

Bell-Bloom是一种基于光抽运技术的测量标量磁场的方法，它利用原子的进动性实现磁场测量。它的普遍思想是使用与碱金属原子D1线跃迁频率相同的圆偏振光，对原子进行抽运，当圆偏振光的调制频率与原子的进动频率相等时，发生光磁共振，通过提取共振频率即可计算出磁场大小。Bell-Bloom磁强计是原子磁强计的一种。

原子磁强计依赖于对传递光的测量，光通过原子气室后，由于光与磁场的相互影响，它的光学特性会有一定的变化。光与原子、原子与磁场的相互作用很明显地改变了磁强计的类型和运行模式。常见的原子磁强计有SERF(Spin-exchange Relaxation-free，无自旋交换弛豫)磁强计、Mx磁强计和Bell-Bloom磁强计，它们都是基于光抽运技术实现磁测量的。SERF磁强计要求在极微弱的磁场下运行，所以或者用屏蔽性能极好的被动磁屏蔽，体积无法减小，或者使用线圈进行磁补偿，补偿精度和线圈中电流的磁干扰都难以控制。Mx磁强计需要在原子气室上加一个振荡场，所以抽运和自旋的同步性有很大影响，测量磁场时也存在相互耦合的误差。对于Bell-Bloom磁强计而言，可以运行在较大磁场甚至地磁场下，所以对磁场要求很低，与SERF磁强计相比结构简单，易于集成；由于用调制光源取代了振荡场，所以没有抽运和自旋的同步性误差，同时也没有两个磁场的耦合误差，与Mx磁强计相比也有很大优势。

常规的Bell-Bloom磁强计使用单一光束同时作为抽运光和检测光，只能测量标量磁场，而科学研究和生产生活中很多地方需要更多的磁场信息，即需要用到矢量磁强计。如何利用Bell-Bloom原理实现高精度的三轴磁场测量，是原子磁强计的一个至关重要的研究内容，目前尚未有相关报道。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法及装置，在单光束Bell-Bloom标量磁强计的基础上，使用双光束实现三轴磁场测量，与常见的矢量原子磁强计相比，光路简单，结构紧凑，功耗较低，运行条件容易达到，易于小型化集成化，具有很高的检测精度和实用价值。

本发明的技术解决方案：一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法，利用原子进动时对检测光的自调制作用实现三轴磁场测量，沿x轴方向外加一个磁场B_x，有两束激光同时作用在碱金属原子气室上，沿z轴方向有一束幅值调制的D1线跃迁频率的圆偏振光作为抽运光。根据单光束Bell-Bloom标量磁强计的原理，碱金属原子在外磁场作用下会绕着磁场进动。碱金属原子的进动频率与外磁场的关系为：

ω_L＝2πγ·B                       (1)

其中，γ为该原子的旋磁比。

改变x轴磁场大小，当进动频率与调制频率满足共振条件时，发生共振，通过z轴的光电探测器可以找到发生共振的频率点。单光束Bell-Bloom磁强计的共振条件是：

ω_L＝mω_mod,m＝1,2,3,…                    (2)

其中，当m＝1，即ω_L＝ω_mod时，共振幅值最大，共振现象最明显。根据共振幅值最大处的调制频率ω_mod和所加磁场ΔB_x，即可计算出x轴磁场：

B_x＝ω_mod/2πγ-ΔB_x                         (3)

沿x轴方向有一束连续的D2线跃迁频率的线偏振光作为检测光，极化的原子在主磁场作用下发生进动，极化矢量对线偏振光存在自调制作用，且由B_y引起的x轴光强变化和由B_z引起的x轴光强变化相位差为π/2。以z轴光强信号作为参考信号，x轴光强信号作为待解调信号，利用锁相放大器即可得到B_y和B_z。

基于上述Bell-Bloom自调制三轴磁场测量方法，设计一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量装置，包括抽运光激光器、检测光激光器、碱金属原子气室、光电探测器、锁相放大器、信号发生器、声光调制器的驱动器、声光调制器、反射镜、扩束镜、起偏器、1/4波片和反馈控制器。输出信号分别为带有三轴磁场信息的x向输出、y向输出和z向输出。

x轴方向的磁场测量：信号发生器(输出给声光调制器的驱动器一个调制信号，驱动器输出载有调制信号的射频信号控制声光调制器内声光晶体对激光的衍射效果。抽运光激光器产生的线偏振光经过反射镜射入声光调制器中，得到幅值调制的1级衍射光。幅值调制的线偏振光经过扩束镜变成平行光，经过起偏器和1/4波片后成为圆偏振光，圆偏振光对气室中的碱金属原子实现光抽运，作为抽运光。沿x轴方向加一个磁场，在外磁场作用下，碱金属原子绕主磁场方向进动，进动频率ω_L＝2πγ·B，其中γ为该原子的旋磁比。改变x轴磁场大小，当原子的进动频率与抽运光的调制频率满足条件ω_L＝mω_mod,m＝1,2,3,…时发生共振。将B_y和B_z补偿到0点，使用光电探测器检测光强的变化，找到共振幅值最大时的调制频率和所加磁场ΔB_x，此时B_x＝ω_mod/2πγ-ΔB_x。

y轴方向和z轴方向的磁场测量：检测光激光器2产生的线偏振光经过反射镜直接射入原子气室，入射方向与抽运光方向垂直且穿过抽运光。当y轴或z轴存在一个小磁场时，原子绕总磁场的进动矢量在x轴上存在投影，对检测光有自调制作用，检测光光强发生周期性变化。且B_y产生的光强变化与B_z产生的光强变化频率相同，相位差为π/2。使用光电探测器得到检测光的光强变化，作为待解调信号，而抽运光光强变化作为参考信号。参考信号与待解调信号同时输入锁相放大器中，锁相放大器的in-phase和out-of-phase通道分别输出B_y对应的电压值和B_z对应的电压值。图4为B_z＝0时in-phase输出与B_y的关系曲线，图5为B_y＝0时out-of-phase输出与B_z的关系曲线。当B_y＝B_z＝0时，两个通道输出都为0，所以原子自调制天然过零点，对于实现闭环非常有优势。将锁相放大器输出的B_y对应的电压值和B_z对应的电压值分别输入反馈控制器中，输出的电流分别加到y轴和z轴线圈上，精确补偿y轴和z轴磁场。当锁相放大器两个通道输出都为0时，B_y和B_z即为两轴线圈上所加磁场大小。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有的原子标量磁强计(如Bell-Bloom磁强计、Mx磁强计等)通过测量原子进动频率实现磁场测量，但是只能得到标量磁场的信息。相比而言，本发明提出的方法可以得到三轴磁场信息，满足了科研活动和实际应用的需求；

(2)现有的原子矢量磁强计(如SERF磁强计)只能用于微弱磁场的测量。相比而言，本发明提出的方法可以在保证超高精度(可检测到fT量级)的前提下，实现地磁环境下的实时矢量磁场测量。

(3)与其他从标量磁强计中提取矢量信息的原子磁强计相比，本发明提出的方法利用原子进动对检测光的自调制作用，不需要额外的调制或者偏置磁场，所以引入的噪声更低，能够实现超高精度的测量。

附图说明

图1为本发明测量方法的原理示意图；

图2为本发明测量装置的光路和结构示意图；

图3为x轴磁场对应的共振和色散曲线；

图4为y轴磁场与锁相放大器in-phase输出幅值的关系曲线；

图5为z轴磁场与锁相放大器out-of-phase输出幅值的关系曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的Bell-Bloom自调制三轴磁场测量方法，利用原子进动对检测光的自调制作用，使用双光束检测实现三轴磁场测量。

如图2所示，利用本发明测量装置实现三轴磁场测量的具体实施步骤如下：

步骤一：幅值调制的抽运光的获取：

使用信号发生器9输出给声光调制器的驱动器10一个调制信号，一般为正弦波或者方波。抽运光激光器1产生的线偏振光经过反射镜12射入声光调制器11中，得到幅值调制的1级衍射光。幅值调制的线偏振光经过扩束镜13变成平行光，经过起偏器14和1/4波片15后成为圆偏振光，得到幅值调制的抽运光。

步骤二：x轴的磁场测量：

沿x轴方向加一个大磁场，要求使主磁场近似沿x轴方向。在外磁场作用下，碱金属原子绕主磁场方向进动，进动频率ω_L＝2πγ·B，其中γ为该原子的旋磁比。改变x轴磁场大小，当原子的进动频率与抽运光的调制频率满足条件ω_L＝mω_mod,m＝1,2,3,…时发生共振。使用光电探测器4检测光强的变化，找到共振幅值最大、色散曲线过0点时的外加磁场ΔB_x(如图3所示共振点)，此时ω_L＝ω_mod，可以得到x轴磁场大小，B_x＝ω_mod/2πγ-ΔB_x。

步骤三：y轴和z轴的磁场测量：

检测光激光器2产生的线偏振光经过反射镜12直接射入原子气室3，入射方向与抽运光方向垂直且穿过抽运光。当y轴或z轴存在一个不高于主磁场的小磁场时，原子绕总磁场的进动矢量在x轴上存在投影，对检测光有自调制作用，检测光光强发生周期性变化。且B_y产生的光强变化与B_z产生的光强变化频率相同，相位差为π/2。使用光电探测器4得到检测光的光强变化，作为待解调信号，而抽运光光强变化作为参考信号。参考信号与待解调信号同时输入锁相放大器5中，锁相放大器的同相通道(in-phase)和π/2相位差通道(out-of-phase)分别输出B_y对应的电压值和B_z对应的电压值。图4为B_z＝0时in-phase输出与B_y的关系曲线，图5为B_y＝0时out-of-phase输出与B_z的关系曲线。当B_y＝B_z＝0时，两个通道输出都为0，所以原子自调制天然过零点，对于实现闭环非常有优势。将锁相放大器5输出的B_y对应的电压值和B_z对应的电压值分别输入反馈控制器16中，输出的电流分别加到y轴和z轴线圈上，精确补偿y轴和z轴磁场。当锁相放大器两个通道输出都为0时，B_y和B_z即为两轴线圈上所加磁场大小。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法，其特征在于：沿x轴方向外加一个磁场B_x，有两束激光同时作用在碱金属原子气室(3)上，沿z轴方向有一束抽运光，使用光电探测器(4)检测光强变化，在极化原子的同时，根据x向输出(6)计算得到B_x；沿x轴方向有一束检测光，极化的原子在主磁场作用下发生进动，对线偏振光存在自调制作用，使用光电探测器(4)检测光强变化，以z轴光强信号作为参考信号，x轴光强信号作为待解调信号，利用锁相放大器(5)得到y向输出(7)和z向输出(8)，从而计算得到B_y和B_z。

2.根据权利要求1所述的Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法，其特征在于：所述抽运光为幅值调制的圆偏振光，波长为碱金属原子D1线跃迁频率相应波长。

3.根据权利要求1所述的Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法，其特征在于：所述检测光为连续的线偏振光，波长为碱金属原子D2线或D1线跃迁频率相应波长。

4.根据权利要求1所述的Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法，其特征在于：所述抽运光与检测光正交且在同一平面上。

5.根据权利要求1所述的Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法，其特征在于：所述主磁场近似沿x轴方向；根据单光束Bell-Bloom标量磁强计的原理，碱金属原子在外磁场作用下会绕着磁场进动，碱金属原子的进动频率与外磁场的关系为：

ω_L＝2πγ·B                          (1)

其中，γ为该原子的旋磁比；

改变x轴磁场大小，当进动频率与调制频率满足共振条件时，发生共振，通过z轴的光电探测器可以找到发生共振的频率点。单光束Bell-Bloom磁强计的共振条件是：

ω_L＝mω_mod,m＝1,2,3,…                     (2)

其中，当m＝1，即ω_L＝ω_mod时，共振幅值最大，共振现象最明显，根据共振幅值最大处的调制频率ω_mod和所加磁场ΔB_x，即计算出x轴磁场：

B_x＝ω_mod/2πγ-ΔB_x                         (3)。

6.根据权利要求1所述的Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法，其特征在于：由B_y引起的x轴光强变化和由B_z引起的x轴光强变化相位差为π/2，用与该信号同频的z轴光强信号作为参考，使用锁相放大器解调得到B_y和B_z。

7.基于权利要求1所述方法设计一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量装置，其特征在于：包括抽运光激光器(1)、检测光激光器(2)、碱金属原子气室(3)、光电探测器(4)、锁相放大器(5)、信号发生器(9)、声光调制器的驱动器(10)、声光调制器(11)、反射镜(12)、扩束镜(13)、起偏器(14)、1/4波片(15)和反馈控制器(16)；输出信号分别为带有三轴磁场信息的x向输出(6)、y向输出(7)和z向输出(8)；

x轴方向的磁场测量为：信号发生器(9)输出给声光调制器的驱动器(10)一个调制信号，声光调制器的驱动器(10)输出载有调制信号的射频信号控制声光调制器(11)内声光晶体对激光的衍射效果；抽运光激光器(1)产生的线偏振光经过反射镜(12)射入声光调制器(11)中，得到幅值调制的1级衍射光，幅值调制的线偏振光经过扩束镜(13)变成平行光，经过起偏器(14)和1/4波片(15)后成为圆偏振光，圆偏振光对原子气室(3)中的碱金属原子实现光抽运，作为抽运光；沿x轴方向加一个磁场，要求使主磁场近似沿x轴方向，在外磁场作用下，碱金属原子绕主磁场方向进动，进动频率ω_L＝2πγ·B，其中γ为该原子的旋磁比，改变x轴磁场大小，当原子的进动频率与抽运光的调制频率满足条件ω_L＝mω_mod,m＝1,2,3,…时发生共振。将B_y和B_z补偿到0点，采用光电探测器(4)检测光强的变化，找到共振幅值最大时的调制频率和所加磁场ΔB_x，此时B_x＝ω_mod/2πγ-ΔB_x；

y轴方向和z轴方向的磁场测量为：检测光激光器(2)产生的线偏振光经过反射镜(12)直接射入碱金属原子气室(3)，入射方向与抽运光方向垂直且穿过抽运光，当y轴或z轴存在一个不高于主磁场的小磁场时，原子绕总磁场的进动矢量在x轴上存在投影，对检测光有自调制作用，检测光光强发生周期性变化，且B_y产生的光强变化与B_z产生的光强变化频率相同，相位差为π/2；采用光电探测器(4)得到检测光的光强变化，作为待解调信号，而抽运光光强变化作为参考信号，参考信号与待解调信号同时输入锁相放大器(5)中，锁相放大器(5)的同相通道(in-phase)和异相通道(out-of-phase)分别输出B_y对应的电压值和B_z对应的电压值，当B_y＝B_z＝0时，两个通道输出都为0，所以原子自调制天然过零点，对于实现闭环非常有优势，将锁相放大器(5)输出的B_y对应的电压值和B_z对应的电压值分别输入反馈控制器(16)中，输出的电流分别加到y轴和z轴线圈上，精确补偿y轴和z轴磁场，当锁相放大器(5)两个通道输出都为0时，B_y和B_z即为两轴线圈上所加磁场大小。