CN107656220A - 一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法 - Google Patents

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杨世宇
崔敬忠
缪培贤
廉吉庆
王剑祥
陈大勇
杨炜
涂建辉
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
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Abstract

本发明涉及一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，属于磁场测量技术领域。本发明所述方法先通过抽运激光将铷原子进行高度极化，再对极化后的铷原子与探测激光相互作用产生的磁光旋转效应进行检测，并结合磁光共振频率与外磁场之间的关系以及高灵敏度低噪声弱磁检测技术实现磁场的准确测量；所述方法操作简单，普适性强，在空间与地球物理、深空磁场探测、军事反潜、生物医学等方面都有着广泛的应用前景，具有重要的研究价值。

Description

一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法
技术领域
本发明涉及一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，属于磁场测量技术领域。
背景技术
弱磁探测是一个非常重要且具有很大发展前景的研究方向。目前，主要是采用超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device)进行弱磁探测，该检测技术是基友超导量子干涉技术进行的测量，虽然能够实现对微弱磁场的准确测量，但是该磁力仪装置复杂、对工作环境要求高、使用维护成本高，普适性差，不利于弱磁探测的研究发展。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，所述方法通过对待测磁场中铷原子与光场相互作用产生的磁光旋转效应进行检测，结合磁光共振频率与外磁场之间的关系，获得待测磁场的磁场强度大小；所述方法操作简单，普适性强，在空间与地球物理、深空磁场探测、军事反潜、生物医学等方面都有着广泛的应用前景，具有重要的研究价值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，所述方法如下；
(1)将充有铷原子、氮气和氩气的原子气室置于待测磁场中，且原子气室内温度控制在80℃～120℃内；
(2)抽运激光器产生的抽运激光使原子气室内的铷原子进行高度极化；
(3)探测激光器产生的探测激光与极化后的铷原子相互作用，使极化后的铷原子进行拉莫尔进动，获得包含磁信息的调制光学信号；
(4)含磁信息的调制光学信号依次经过偏振分束器、光探测器、放大器后，转换成含有磁信息的电信号；
(5)含有磁信息的电信号经过信号处理单元处理后，获得进动频率f；再根据如下公式计算得到待测弱磁场的磁场强度；
其中，B为待测磁场的磁场强度，f为进动频率，γ为铷原子的磁旋比，γ的取值一般为7；抽运激光与探测激光相互垂直，且抽运激光与探测激光的失谐度为2kHz～20kHz，优选5kHz～10kHz。
进一步的，所述抽运激光器输出的光功率为30mW～50mW。
原子气室内氮气与氩气的体积比为2～6:1。
有益效果：
本发明所述方法是基于磁光共振技术进行测量的，即对磁场中铷原子与光场相互作用产生的磁光旋转效应进行检测，再利用磁光共振频率与外磁场之间的关系，通过高灵敏度低噪声弱磁检测技术实现磁场的准确测量；另外，本发明所述方法涉及的测量装置结构简单，体积小，能耗低，普适性强，在空间与地球物理、深空磁场探测、军事反潜、生物医学等方面都有着广泛的应用前景，具有重要的研究价值。
附图说明
图1为实施例中所述方法采用的测量装置的结构示意图。
图2为实施例中激光与铷原子之间相互作用示意图。
图3为实施例中极化后的铷原子与探测激光相互作用后的磁光共振信号图。
图4为采用实施例所述方法测得的磁场信号图。
其中，1-抽运激光器，2-λ/4波片，3-探测激光器，4-偏振片，5-原子气室，6-偏振分束器，7-光探测器，7-1-光探测器Ⅰ，7-2-光探测器Ⅱ，8-放大器，9-信号处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，所述方法采用的测量装置包括抽运激光器1、λ/4波片2、探测激光器3、偏振片4、原子气室5、偏振分束器6、光探测器7-1、光探测器Ⅱ7-2、放大器以8及信号处理单元9，如图1所示；具体的测量操作如下：
(1)将原子气室5置于待测磁场中，原子气室5内的氮气与氩气的体积比设置为2～6:1，原子气室5内保持恒温环境且温度在80℃～120℃范围内；
(2)抽运激光器1产生的抽运激光经过λ/4波片2后得到圆偏振光，圆偏振光与原子气室5内的铷原子相互作用，并对铷原子自旋进行高度极化，极化后的铷原子呈现出高度的二向色性；
(3)探测激光器3产生的探测激光经过偏振片4后得到线偏振光，线偏振光与极化后的铷原子相互作用，使极化后的铷原子进行拉莫尔进动，获得包含磁信息的调制光学信号；
(4)含磁信息的调制光学信号经过偏振分束器6后分成两路信号以除去噪声信号，一路信号经过光探测器Ⅰ7-1以及另一路信号经过光探测器Ⅱ7-2后再汇聚成一路信号，再经过放大器8，转换成含有磁信息的电信号；
(5)含有磁信息的电信号经过信号处理单元9处理后，获得进动频率f；再根据如下公式计算得到待测弱磁场的磁场强度；
其中，B为待测磁场的磁场强度，f为进动频率，γ为铷原子的磁旋比，γ的取值一般为7；抽运激光器1与探测激光器3分别独立控制，所产生的抽运激光、探测激光相互垂直(如图2所示)，且抽运激光与探测激光的失谐度为2kHz～20kHz，抽运激光器1的光功率在30mW～50mW内调节即可。
图3为极化后的铷原子与线偏振光相互作用后检测得到的磁光共振信号图，通过傅里叶函数拟合图2中幅度最高的峰对应的频率就是被测磁场对应的拉莫尔进动频率，根据铷原子磁光旋转产生的进动频率与测量磁场的关系式可以计算得到待测的磁场强度。图4为待测磁场的磁场信号图，由此可知，本实施例所述方法准确实现了对10000nT的磁场探测。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (5)

1.一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，其特征在于：所述方法如下；
步骤1.将充有铷原子、氮气和氩气的原子气室(5)置于待测磁场中，且原子气室(5)内保持恒温环境；
步骤2.抽运激光器(1)产生的抽运激光使原子气室(5)内的铷原子进行高度极化；
步骤3.探测激光器(3)产生的探测激光与极化后的铷原子相互作用，使极化后的铷原子进行拉莫尔进动，获得包含磁信息的调制光学信号；
步骤4.含磁信息的调制光学信号依次经过偏振分束器(6)、光探测器(7)、放大器(8)后，转换成含有磁信息的电信号；
步骤5.含有磁信息的电信号经过信号处理单元(9)处理后，获得进动频率f；再根据如下公式计算得到待测弱磁场的磁场强度；
<mrow> <mi>B</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mi>&amp;gamma;</mi> </mfrac> <mi>f</mi> </mrow>
其中，B为待测磁场的磁场强度，f为进动频率，γ为铷原子的磁旋比；抽运激光与探测激光相互垂直，且抽运激光与探测激光的失谐度为2kHz～20kHz。
2.根据权利要求1所述的一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，其特征在于：所述原子气室(5)内的温度为80℃～120℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，其特征在于：所述原子气室(5)内氮气与氩气的体积比为2～6:1。
4.根据权利要求1所述的一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，其特征在于：所述抽运激光器(1)输出的光功率为30mW～50mW。
5.根据权利要求1所述的一种基于铷原子磁光旋转效应测量磁场的方法，其特征在于：抽运激光与探测激光的失谐度为5kHz～10kHz。
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