CN108287322A - 一种无响应盲区的原子磁力仪及其测量外磁场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无响应盲区的原子磁力仪，包括激光器、扩束准直装置、圆偏振光转换装置、声光调制器、亥姆霍兹线圈、原子气室、反射镜组、光电探测器、锁定放大器、信号处理***以及加热装置。本发明的原子磁力仪结构精简；结合施加激励磁场和对光进行调制两种激励方法，并通过探测传感原子总自旋角动量沿两个方向的分量，实现无响应盲区测量。本发明还公开一种采用上述原子磁力仪进行外磁场测量的方法，测量方法简便，无响应盲区，能够快速准确得到外磁场相关数据，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及弱磁场检测技术领域，特别地，涉及一种无响应盲区的原子磁力仪及其测量外磁场的方法。
背景技术
在许多至关重要的领域，如基础物理研究、生物医学、深空探测、地质勘查、地震预测以及核磁共振信号检测等，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、霍尔器件、质子磁力仪、超导量子干涉器件以及原子磁力仪。其中，超导量子干涉器件是目前投入应用灵敏度最高的磁力仪，其已实现量级的灵敏度。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)，当原子的总自旋角动量绕着外磁场进动且磁共振时，进动的频率(即磁共振频率)与外磁场的比值为一常数γ，通过检测磁共振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。由于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。
原子磁力仪用光抽运的方法实现传感原子的极化，当***处于平衡状态时，传感原子的总自旋角动量将沿着外磁场方向，而不会绕着外磁场进动，因而无法实现对外磁场的检测。为了实现传感原子的总自旋角动量绕着外磁场进动，即传感原子的总自旋角动量在垂直于外磁场方向的分量不为零，原子磁力仪一般采用施加激励磁场或对抽运光进行调制的方法，激励产生垂直于外磁场方向的总自旋角动量分量。对于施加激励磁场的方法，当外磁场垂直于抽运光时，抽运光无法实现对传感原子的有效极化,因而无法实现对外磁场的有效检测；而对于对抽运光进行调制的方法，当外磁场平行于抽运光时，调制光无法激励传感原子产生垂直于外磁场方向的总自旋角动量分量，因而无法实现对外磁场的有效检测。
原子磁力仪一般采用光吸收或光旋转的探测方法。探测光穿过充入有传感原子的原子气室后，探测光的光强(光吸收法)或偏振面(光旋转法)将受到传感原子总自旋角动量沿光传播方向分量的调制。当外磁场平行于探测光时，由于传感原子总自旋角动量沿光传播方向分量不会绕着外磁场进动，因而无法实现对外磁场的有效检测。
由上可以看出，当外磁场沿着某些方向时，目前常见的一些原子磁力仪将无法实现对外磁场的有效检测，即存在响应盲区。而在实际应用中，外磁场一般是沿任意方向的。因而实现一种无响应盲区的原子磁力仪具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种结构精简且无响应盲区的原子磁力仪，具体技术方案如下：
一种无响应盲区的原子磁力仪，包括激光器、扩束准直装置、圆偏振光转换装置、声光调制器、亥姆霍兹线圈、原子气室、反射镜组、光电探测器、锁定放大器、信号处理***以及加热装置，所述激光器、扩束准直装置、圆偏振光转换装置和所述声光调制器沿光路传播方向依次串联设置，所述亥姆霍兹线圈设置在所述原子气室的***用于提供激励磁场；
所述激光器用于沿x轴方向输出激光束；
所述扩束准直装置将所述激光器输出的激光束进行扩束准直处理；
所述圆偏振光转换装置用于将扩束准直处理后的激光束转变为圆偏振光；
所述声光调制器对圆偏振光进行幅度调制；
所述原子气室内充有133Cs原子与缓冲气体；
所述反射镜组用于将穿过原子气室后的圆偏振光改变传播方向，使得圆偏振光沿y轴方向射入原子气室；
所述光电探测器用于检测穿过原子气室的圆偏振光；
所述锁定放大器用于解调所述光电探测器输出的信号；
所述声光调制器、亥姆霍兹线圈、锁定放大器以及加热装置均与所述信号处理***连接，所述信号处理***用于驱动所述声光调制器对圆偏振光进行幅度调制，所述信号处理***通过调节输入到所述亥姆霍兹线圈中的电流来控制其产生的激励磁场，所述信号处理***通过驱动所述加热装置对所述原子气室进行加热以提高原子气室内133Cs原子蒸汽密度，所述信号处理***用于调节所述锁定放大器的参考频率以及采集所述锁定放大器的输出信号。
以上技术方案中优选的，所述激光器为895nm DFB半导体激光器，调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出激光束。
以上技术方案中优选的，所述扩束准直装置由光束传播方向依次串联设置两组凸透镜。
以上技术方案中优选的，所述反射镜组包括三组反射镜，三组反射镜和原子气室位于正方形四角位置。
以上技术方案中优选的，所述圆偏振光转换装置为由光路传播方向串联设置的线偏振片和λ/4玻片组合而成。
以上技术方案中优选的，所述亥姆霍兹线圈由铜线绕制，用于产生激励磁场；所述加热装置设置在所述原子气室的***，所述加热装置包含铜夹具、无磁电阻加热片和无磁温度传感器，所述铜夹具用于固定所述原子气室，所述无磁电阻加热片用于对所述原子气室进行加热以提高原子气室内133Cs原子蒸汽密度，所述无磁温度传感器用于测量所述原子气室的温度，所述无磁电阻加热片和所述无磁温度传感器均与所述信号处理***连接。
以上技术方案中优选的，所述信号处理***包括数据采集卡和计算机，所述数据采集卡与所述声光调制器、亥姆霍兹线圈、无磁温度传感器以及锁定放大器连接，所述计算机与所述数据采集卡连接。
本发明的原子磁力仪结合施加激励磁场和对光进行调制两种激励方法，并通过探测传感原子总自旋角动量沿两个方向的分量，得到一种无响应盲区的测量装置，具体是：895nm DFB半导体激光器输出的激光束经过扩束准直装置后被扩束准直，再由圆偏振光转换装置将其转变为圆偏振光；随后，声光调制器对圆偏振光进行幅度调制，幅度调制了的圆偏振光沿x轴方向照射原子气室；圆偏振光穿过原子气室后，经反射镜组改变传播方向后，沿y轴照射原子气室；圆偏振光两次与原子气室中133Cs原子相互作用后，133Cs原子系综被极化，同时圆偏振光的光强受到x轴与y轴两个方向上的自旋极化分量的调制；穿过原子气室的圆偏振光被光电探测器检测，光电探测器的输出信号反映圆偏振光光强的变化；光电探测器的输出信号被锁定放大器解调后，由信号处理***采集锁定放大器输出的光电探测器输出信号的幅值；信号处理***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；同时，信号处理***驱动与控制亥姆霍兹线圈和声光调制器，提供激励磁场以及对圆偏振光进行幅度调制，并使激励磁场与光调制的频率跟踪磁共振频率，根据此频率得到原子气室处的外磁场。具体原理如下：
原子磁力仪的传感原子的总自旋角动量通常用传感原子的自旋极化矢量表示。在圆偏振光的作用下，传感原子系综将被极化，大量的传感原子处于相干状态，宏观上表现为传感原子的自旋极化。当采用施加激励磁场或对抽运光进行调制的方法，激励产生垂直于外磁场方向的自旋极化分量时，垂直于外磁场方向的自旋极化分量将绕着外磁场进动，进动的频率等于激励磁场频率或抽运光的调制频率。当激励磁场或调制光的频率等于磁共振频率时，垂直于外磁场方向的自旋极化分量的幅值最大。因而通过光吸收或光旋转的方法探测外磁场方向的自旋极化分量，跟踪信号幅值最大时的激励磁场频率或抽运光的调制频率，即可得到磁共振频率，进而得到外磁场的大小。
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。原子磁力仪采用光吸收的探测方法，抽运光与探测光为同一束圆偏振光，先沿x轴方向传播。圆偏振光沿x轴方向穿过充入有传感原子的原子气室后，通过反射镜改变圆偏振光的传播方向，使其沿y轴方向穿过充入有传感原子的原子气室。这样，圆偏振光的强度同时受到自旋极化矢量沿x轴与y轴两个方向上的分量的调制。
当沿z轴方向施加激励磁场的同时对圆偏振光进行幅度调制，且光调制的频率等于激励磁场的频率时，若外磁场沿x轴方向，在激励磁场的作用下，将激励产生垂直于x轴方向的自旋极化分量，绕着外磁场进动，圆偏振光穿过原子气室后，其强度受到y轴方向的自旋极化分量的调制；若外磁场沿y轴方向，在激励磁场的作用下，将激励产生垂直于y轴方向的自旋极化分量，绕着外磁场进动，圆偏振光穿过原子气室后，其强度受到x轴方向的自旋极化分量的调制；若外磁场沿z轴方向，在调制光的作用下，将激励产生垂直于z轴方向的自旋极化分量，绕着外磁场进动，圆偏振光穿过原子气室后，其强度受到x轴与y轴两个方向上的自旋极化分量的调制。综上可推知，当外磁场沿任一方向时，在激励磁场与调制光的作用下，总能激励产生垂直于外磁场方向的自旋极化分量，绕着外磁场进动，且圆偏振光的光强总会受到垂直于外磁场方向的自旋极化分量的调制，因而可以实现一种无响应盲区的原子磁力仪。
本发明的第二目的在于公开一种采用上述原子磁力仪测量外磁场的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、信号处理***产生远离磁共振频率的高频振荡电流，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、打开激光器，将其调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出激光束经扩束准直装置和圆偏振光转换装置处理得到圆偏振光，圆偏振光沿x轴方向穿过原子气室，后经反射镜组改变圆偏振光的传播方向后沿y轴方向穿过原子气室；经光电探测器检测，开始探测沿x轴与y轴两个方向上的自旋极化分量信号；
步骤三、信号处理***驱动亥姆霍兹线圈产生z轴方向的激励磁场，同时驱动声光调制器对圆偏振光进行幅度调制，光的调制频率与激励磁场的频率保持一致；锁定放大器解调光路中光电探测器输出的信号，锁定放大器的参考频率取激励磁场的频率，信号处理***采集锁定放大器解调后输出的光电探测器输出信号的幅值；
步骤四、信号处理***通过调节激励磁场的频率与光的调制频率，使采集得到的光电探测器输出信号的幅值最大，此时激励磁场的频率等于磁共振频率ω0；根据得到的磁共振频率ω0，提取得到原子气室处的外磁场B＝ω0/γ。
应用本发明的测量方法，步骤精简，能够实现对外磁场的有效检测。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是实施例1中无响应盲区的原子磁力仪的结构示意图；
其中：1、激光器，2、扩束准直装置，2.1、凸透镜，3、圆偏振光转换装置，3.1、线偏振片，3.2、λ/4玻片，4、声光调制器，5、亥姆霍兹线圈，6、原子气室，7、反射镜组，7.1、反射镜，8、光电探测器，9、锁定放大器，10、信号处理***，11、加热装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
一种无响应盲区的原子磁力仪，参见图1，包含激光器1、扩束准直装置2、圆偏振光转换装置3、声光调制器4、亥姆霍兹线圈5、原子气室6、反射镜组7、光电探测器8、锁定放大器9、信号处理***10以及加热装置11，其中：
所述激光器1、扩束准直装置2、圆偏振光转换装置3和所述声光调制器4沿光路传播方向依次串联设置。
所述激光器1优选895nm DFB半导体激光器，用于沿x轴方向输出激光束，具体是：将895nm DFB半导体激光器调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出激光束)。
所述扩束准直装置2将所述激光器1输出的激光束进行扩束准直处理，优选所述扩束准直装置2由光束传播方向依次串联设置两组凸透镜2.1。
所述圆偏振光转换装置3用于将扩束准直处理后的激光束转变为圆偏振光，优选所述圆偏振光转换装置3由光路传播方向串联设置的线偏振片3.1和λ/4玻片3.2组合而成。
所述声光调制器4对圆偏振光进行幅度调制。
所述亥姆霍兹线圈5由铜线绕制，用于产生激励磁场。
所述原子气室6内充有133Cs原子与缓冲气体(此处优选氮气)。光路用于极化原子气室中的133Cs原子，并探测自旋极化矢量在x轴与y轴两个方向上的分量。
所述反射镜组7用于将穿过原子气室6后的圆偏振光改变传播方向，使得圆偏振光沿y轴方向射入原子气室6。优选：所述反射镜组7包括三组反射镜7.1，三组反射镜和原子气室7位于正方形四角位置。
所述光电探测器8用于检测穿过原子气室6的圆偏振光。
所述锁定放大器9用于调节所述光电探测器8输出的信号。
所述信号处理***10同时与所述声光调制器4、亥姆霍兹线圈5、锁定放大器9以及加热装置11连接，所述信号处理***10用于驱动所述声光调制器4对圆偏振光进行幅度调制，所述信号处理***10通过调节输入到所述亥姆霍兹线圈5中的电流来控制其产生的激励磁场，所述信号处理***10通过驱动所述加热装置11对所述原子气室6进行加热以提高原子气室6内133Cs原子蒸汽密度，所述信号处理***10用于调节所述锁定放大器9的参考频率以及采集所述锁定放大器9的输出信号。
所述加热装置11包含铜夹具、无磁电阻加热片和无磁温度传感器，所述铜夹具用于固定所述原子气室6，所述无磁电阻加热片用于对所述原子气室6进行加热以提高原子气室6内133Cs原子蒸汽密度，所述无磁温度传感器用于测量所述原子气室6的温度，所述无磁电阻加热片和所述无磁温度传感器均与所述信号处理***10连接。
此处优选所述信号处理***10包括数据采集卡和计算机，所述数据采集卡与所述声光调制器4、亥姆霍兹线圈5、无磁温度传感器以及锁定放大器9连接，所述计算机与所述数据采集卡连接。
应用本实施例的技术方案，具体是：895nm DFB半导体激光器输出的激光束经过扩束准直装置2中的两组凸透镜2.1后被扩束准直；由圆偏振光转换装置3中的线偏振片3.1和λ/4玻片3.2将其转变为圆偏振光；声光调制器4对圆偏振光进行幅度调制，幅度调制了的圆偏振光沿x轴方向照射原子气室6；圆偏振光穿过原子气室6后，经反射镜组7中的三组反射镜7.1改变传播方向后沿y轴照射原子气室6(圆偏振光两次与原子气室6中133Cs原子相互作用后，133Cs原子系综被极化，同时圆偏振光的光强受到x轴与y轴两个方向上的自旋极化分量的调制)；穿过原子气室6的圆偏振光被光电探测器8检测，光电探测器8的输出信号反映圆偏振光光强的变化；光电探测器8的输出信号被锁定放大器9解调后，由信号处理***10采集锁定放大器9输出的光电探测器8输出信号的幅值；信号处理***10驱动与控制加热装置11，使其加热原子气室6，并保持原子气室6温度的稳定；同时，信号处理***10驱动与控制亥姆霍兹线圈5和声光调制器4，提供激励磁场以及对圆偏振光进行幅度调制，并使激励磁场与光调制的频率跟踪磁共振频率，根据此频率得到原子气室6处的外磁场。
应用本实施例的原子磁力仪进行外磁场检测，具体包括以下步骤：
步骤一、信号处理***产生远离磁共振频率的高频振荡电流，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、打开激光器，将其调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出激光束经扩束准直装置和圆偏振光转换装置处理得到圆偏振光，圆偏振光沿x轴方向穿过原子气室，后经反射镜组改变圆偏振光的传播方向后沿y轴方向穿过原子气室；经光电探测器检测，开始探测沿x轴与y轴两个方向上的自旋极化分量信号；
步骤三、信号处理***驱动亥姆霍兹线圈产生z轴方向的激励磁场，同时驱动声光调制器对圆偏振光进行幅度调制，光的调制频率与激励磁场的频率保持一致；锁定放大器解调光路中光电探测器输出的信号，锁定放大器的参考频率取激励磁场的频率，信号处理***采集锁定放大器解调后输出的光电探测器输出信号的幅值；
步骤四、信号处理***通过调节激励磁场的频率与光的调制频率，使采集得到的光电探测器输出信号的幅值最大，此时激励磁场的频率等于磁共振频率ω0；根据得到的磁共振频率ω0，提取得到原子气室处的外磁场B＝ω0/γ。
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。
Claims (8)
1.一种无响应盲区的原子磁力仪，其特征在于：包括激光器(1)、扩束准直装置(2)、圆偏振光转换装置(3)、声光调制器(4)、亥姆霍兹线圈(5)、原子气室(6)、反射镜组(7)、光电探测器(8)、锁定放大器(9)、信号处理***(10)以及加热装置(11)，所述激光器(1)、扩束准直装置(2)、圆偏振光转换装置(3)和所述声光调制器(4)沿光路传播方向依次串联设置，所述亥姆霍兹线圈(5)设置在所述原子气室(6)的***用于提供激励磁场；
所述激光器(1)用于沿x轴方向输出激光束；
所述扩束准直装置(2)将所述激光器(1)输出的激光束进行扩束准直处理；
所述圆偏振光转换装置(3)用于将扩束准直处理后的激光束转变为圆偏振光；
所述声光调制器(4)对圆偏振光进行幅度调制；
所述原子气室(6)内充有133Cs原子与缓冲气体；
所述反射镜组(7)用于将穿过原子气室(6)后的圆偏振光改变传播方向，使得圆偏振光沿y轴方向射入原子气室(6)；
所述光电探测器(8)用于检测穿过原子气室(6)的圆偏振光；
所述锁定放大器(9)用于解调所述光电探测器(8)输出的信号；
所述声光调制器(4)、亥姆霍兹线圈(5)、锁定放大器(9)以及加热装置(11)均与所述信号处理***(10)连接，所述信号处理***(10)用于驱动所述声光调制器(4)对圆偏振光进行幅度调制，所述信号处理***(10)通过调节输入到所述亥姆霍兹线圈(5)中的电流来控制其产生的激励磁场，所述信号处理***(10)通过驱动所述加热装置(11)对所述原子气室(6)进行加热以提高原子气室(6)内133Cs原子蒸汽密度，所述信号处理***(10)用于调节所述锁定放大器(9)的参考频率以及采集所述锁定放大器(9)的输出信号。
2.根据权利要求1所述的无响应盲区的原子磁力仪，其特征在于：所述激光器(1)为895nm DFB半导体激光器，调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出激光束。
3.根据权利要求1所述的无响应盲区的原子磁力仪，其特征在于：所述扩束准直装置(2)由光束传播方向依次串联设置两组凸透镜(2.1)。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的无响应盲区的原子磁力仪，其特征在于：所述反射镜组(7)包括三组反射镜(7.1)，三组反射镜和原子气室(7)位于正方形四角位置。
5.根据权利要求4所述的无响应盲区的原子磁力仪，其特征在于：所述圆偏振光转换装置(3)由光路传播方向串联设置的线偏振片(3.1)和λ/4玻片(3.2)组合而成。
6.根据权利要求4所述的无响应盲区的原子磁力仪，其特征在于：所述亥姆霍兹线圈(5)由铜线绕制，用于产生激励磁场；所述加热装置(11)设置在所述原子气室(6)***，所述加热装置(11)包含铜夹具、无磁电阻加热片和无磁温度传感器，所述铜夹具用于固定所述原子气室(6)，所述无磁电阻加热片用于对所述原子气室(6)进行加热以提高原子气室(6)内133Cs原子蒸汽密度，所述无磁温度传感器用于测量所述原子气室(6)的温度，所述无磁电阻加热片和所述无磁温度传感器均与所述信号处理***(10)连接。
7.根据权利要求5所述的无响应盲区的原子磁力仪，其特征在于：所述信号处理***(10)包括数据采集卡和计算机，所述数据采集卡与所述声光调制器(4)、所述亥姆霍兹线圈(5)、所述无磁温度传感器以及所述锁定放大器(9)连接，所述计算机与所述数据采集卡连接。
8.一种无响应盲区的原子磁力仪测量外磁场的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、信号处理***产生远离磁共振频率的高频振荡电流，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、打开激光器，将其调节到133Cs原子D1线跃迁共振频率，输出激光束经扩束准直装置和圆偏振光转换装置处理得到圆偏振光，圆偏振光沿x轴方向穿过原子气室，后经反射镜组改变圆偏振光的传播方向后沿y轴方向穿过原子气室；经光电探测器检测，开始探测沿x轴与y轴两个方向上的自旋极化分量信号；
步骤三、信号处理***驱动亥姆霍兹线圈产生z轴方向的激励磁场，同时驱动声光调制器对圆偏振光进行幅度调制，光的调制频率与激励磁场的频率保持一致；锁定放大器解调光路中光电探测器输出的信号，锁定放大器的参考频率取激励磁场的频率，信号处理***采集锁定放大器解调后输出的光电探测器输出信号的幅值；
步骤四、信号处理***通过调节激励磁场的频率与光的调制频率，使采集得到的光电探测器输出信号的幅值最大，此时激励磁场的频率等于磁共振频率ω0；根据得到的磁共振频率ω0，提取得到原子气室处的外磁场B＝ω0/γ。
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