CN108717168B - 一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法，处理器通过激光器控制电路使激光器输出激光，激光的频率与原子跃迁共振，幅度周期性变化，激光器发出的激光经过光纤分束器分别入射到第一原子气室和第二原子气室中，与原子作用后分别由第一探测器和第二探测器接收，探测器输出的电压信号发送到处理器。激光使原子极化，极化轴绕外磁场以拉莫尔频率进动，处理器改变激光幅度的调制频率，当频率值与原子拉莫尔进动频率相同时，从原子气室出射的激光光谱出现极大值，在通过拉莫尔频率计算得到磁场值。通过测量第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场在差分计算，可得到磁场梯度值。本发明磁敏感部分采用全光学结构，提高了磁场梯度的测量精度。

Description

一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法，属于磁场精密测量领域。
背景技术
磁场广泛存在于空间中，磁场测量可用于地质勘探、地下管线探测、无损检测、地磁导航、医学诊断等领域，磁场包括磁场幅度、方向、磁场梯度等信息，磁场梯度的精确测量能够提高地下管线探测、地磁导航、生物磁场测量的精度。
传统标量磁场梯度测量采用两个独立的磁力仪探头，传统磁力仪探头的体积较大，限制了磁梯度测量的基线长度。而且传统磁力仪探头内含有激光器和光电探测器等电子元器件，电子元器件固有磁性以及其工作时相应的电路内电流产生的磁场干扰会影响磁场梯度测量精度。采用光场幅度调制方案进行磁场测量，可以用光纤传输激光，实现磁敏感部分全光学化，消除电子元器件引起的磁场干扰，能够为科学研究和工程应用提供一种高精度、高稳定性的磁场梯度测量手段。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法，能够实现磁敏感部分全光学设计，提高磁场梯度测量精度。
本发明采用的技术方案为：一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置，包括：激光器、光纤分束器、第一原子气室、第二原子气室、激光器控制电路、第一探测器、第二探测器和处理器；处理器通过激光器控制电路使激光器输出激光，激光频率与原子跃迁共振，且激光幅度周期性变化，激光器发出的激光经过光纤分束器分别入射到第一原子气室和第二原子气室中，与原子作用后分别由第一探测器和第二探测器接收，探测器输出的电压信号发送到处理器；处理器改变激光幅度的调制频率，当频率值与原子拉莫尔进动频率相同时，从原子气室出射的激光光谱出现极大值，通过拉莫尔频率计算得到磁场值；通过测量第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场，计算得到磁场梯度值。
所述计算得到磁场梯度值的具体过程为：第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场先进行差分计算，再与基线值L相除，得到磁场梯度值；所述基线值为第一原子气室中心与第二原子气室中心之间的距离。
一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量方法，步骤如下：
步骤一：调节所述激光器控制电路，使激光器输出功率恒定且频率与原子本征跃迁共振的激光；
步骤二：确定第一原子气室中原子的拉莫尔进动频率w1；
步骤三：确定第二原子气室中原子的拉莫尔进动频率w2；
步骤四：计算第一原子气室和第二原子气室中原子拉莫尔进动频率的差值Δw＝w1-w2；
步骤五：计算得到磁场梯度值。
所述步骤二确定第一原子气室中原子的拉莫尔进动频率w1的具体过程为：
11)利用第一探测器测量从第一原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，发送到处理器；
12)处理器改变激光幅度的调制频率；
13)确定从第一原子气室出射的激光光谱极大值对应的调制频率，即为w1。
所述步骤三确定第二原子气室中原子的拉莫尔进动频率w2的具体过程为：
21)利用第二探测器测量从第二原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，发送到处理器；
22)处理器改变激光幅度的调制频率；
23)确定从第二原子气室出射的激光光谱极大值对应的调制频率，即为w2。
所述步骤五磁场梯度值ΔB＝Δw/(r×L)＝(w1-w2)/(r×L)，其中r为原子的旋磁比，L为基线值。
本发明与现有方法相比的优点在于：
(1)本发明采用同一个激光器为两个探头提供激励光源，通过差分计算可以消除共模噪声，提高磁力梯度仪的测量精度。
(2)传统磁力仪探头内含有激光器和光电探测器等电子元器件，本发明采用光场幅度调制方案实现磁场测量，可以避免电子元器件固有磁性以及其工作时相应电路内电流产生的磁场干扰。
(3)传统标量磁场梯度测量采用的磁力仪探头的体积较大，限制了磁梯度测量的基线值。本发明的磁敏感部分为全光学设计，不需要激励线圈等结构，探头体积小，增加了磁梯度测量的基线值可调节范围，能够满足小空间条件下的使用需求。
附图说明
图1是本发明的一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置框图；
图2是本发明的一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置，包括：激光器、光纤分束器、第一原子气室、第二原子气室、激光器控制电路、第一探测器、第二探测器和处理器。
处理器通过激光器控制电路使激光器输出频率与原子跃迁共振、幅度周期变化的激光，激光器发出的激光经过光纤分束器分别入射到第一原子气室和第二原子气室中。在具体实施例中，第一原子气室和第二原子气室中充有87Rb原子，选用光纤输出的VCSEL激光器作为光源，激光波长为795nm，与87Rb原子的D1线共振，幅度调制的频率范围设置为35kHz～500kHz，使激光器输出光功率在最大值120uW和最小值0uW之间周期变化。光纤分束器采用Thorlabs公司的PN780R5A1型光纤耦合器，分光比为50:50。
激光与原子作用后分别由第一探测器和第二探测器接收，探测器输出的电压信号发送到处理器。激光使原子极化，极化轴绕外磁场以拉莫尔频率进动，处理器改变激光幅度的调制频率，当频率值与原子拉莫尔进动频率相同时，从原子气室出射的激光光谱出现极大值，在通过拉莫尔频率计算得到磁场值。通过测量第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场再进行差分计算，并与基线值(第一原子气室中心与第二原子气室中心之间的距离)L相除，可得到磁场梯度值。在具体实施例中，L取值范围为10cm～1m。
如图2所示，基于上述装置，本发明还提出了一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量方法，步骤如下：
步骤一：调节所述激光器控制电路，使激光器输出功率恒定且频率与原子本征跃迁共振的激光；
步骤二：确定第一原子气室中原子的拉莫尔进动频率w1
(1)利用第一探测器测量从第一原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，发送到处理器；
(2)处理器改变激光幅度的调制频率；
(3)确定从第一原子气室出射的激光光谱极大值对应的调制频率，即为w1；
步骤三：确定第二原子气室中原子的拉莫尔进动频率w2
(1)利用第二探测器测量从第二原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，发送到处理器；
(2)处理器改变激光幅度的调制频率；
(3)确定从第二原子气室出射的激光光谱极大值对应的调制频率，即为w2；
步骤四：计算第一原子气室和第二原子气室中原子拉莫尔进动频率的差值Δw＝w1-w2；
步骤五：计算得到磁场梯度值ΔB＝Δw/(r×L)＝(w1-w2)/(r×L)，其中r为原子的旋磁比，L为基线值。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置，其特征在于包括：激光器、光纤分束器、第一原子气室、第二原子气室、激光器控制电路、第一探测器、第二探测器和处理器；处理器通过激光器控制电路使激光器输出激光，激光频率与原子跃迁共振，且激光幅度周期性变化，激光器发出的激光经过光纤分束器分别入射到第一原子气室和第二原子气室中，与原子作用后分别由第一探测器和第二探测器接收，探测器输出的电压信号发送到处理器；处理器改变激光幅度的调制频率，当频率值与原子拉莫尔进动频率相同时，从原子气室出射的激光光谱出现极大值，通过拉莫尔频率计算得到磁场值；通过测量第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场，计算得到磁场梯度值；
所述第一原子气室和第二原子气室中充有87Rb原子，选用光纤输出的VCSEL激光器作为光源，激光波长为795nm，与87Rb原子的D1线共振，幅度调制的频率范围设置为35kHz～500kHz，使激光器输出光功率在最大值120uW和最小值0uW之间周期变化；所述光纤分束器采用Thorlabs公司的PN780R5A1型光纤耦合器，分光比为50:50。
2.根据权利要求1所述的一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置，其特征在于：所述计算得到磁场梯度值的具体过程为：第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场先进行差分计算，再与基线值L相除，得到磁场梯度值；所述基线值为第一原子气室中心与第二原子气室中心之间的距离。
3.一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：调节所述激光器控制电路，使激光器输出功率恒定且频率与原子本征跃迁共振的激光；
步骤二：确定第一原子气室中原子的拉莫尔进动频率w1；
步骤三：确定第二原子气室中原子的拉莫尔进动频率w2；
步骤四：计算第一原子气室和第二原子气室中原子拉莫尔进动频率的差值Δw＝w1-w2；
步骤五：计算得到磁场梯度值；
所述步骤二确定第一原子气室中原子的拉莫尔进动频率w1的具体过程为：
11)利用第一探测器测量从第一原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，发送到处理器；
12)处理器改变激光幅度的调制频率；
13)确定从第一原子气室出射的激光光谱极大值对应的调制频率，即为w1。
4.根据权利要求3所述的一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量方法，其特征在于：所述步骤三确定第二原子气室中原子的拉莫尔进动频率w2的具体过程为：
21)利用第二探测器测量从第二原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，发送到处理器；
22)处理器改变激光幅度的调制频率；
23)确定从第二原子气室出射的激光光谱极大值对应的调制频率，即为w2。
5.根据权利要求3所述的一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量方法，其特征在于：所述步骤五磁场梯度值ΔB＝Δw/(r×L)＝(w1-w2)/(r×L)，其中r为原子的旋磁比，L为基线值。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109521376B (zh) * 2018-11-09 2023-12-15 中国计量科学研究院 基于微型原子气室的原子磁力仪
CN111220934A (zh) * 2020-01-14 2020-06-02 杭州昕磁科技有限公司 基于脉冲泵浦磁力仪的梯度检测***
CN112014777B (zh) * 2020-09-09 2021-10-15 中国海洋大学 一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法
CN112540328B (zh) * 2020-12-30 2022-03-25 之江实验室 一种基于双气室光泵浦碱金属原子梯度磁强计的探头结构
CN113447862A (zh) * 2021-06-30 2021-09-28 北京量子信息科学研究院 磁场梯度测量装置
CN113447861A (zh) * 2021-06-30 2021-09-28 北京量子信息科学研究院 磁场测量装置
CN113679389B (zh) * 2021-07-21 2022-09-16 北京大学 基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法
CN113671424B (zh) * 2021-07-23 2023-11-03 南方科技大学 一种磁场梯度测量方法以及原子磁力梯度仪***
CN113721171B (zh) * 2021-07-27 2024-06-04 北京量子信息科学研究院 磁梯度***及其检测方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103941199A (zh) * 2013-01-21 2014-07-23 精工爱普生株式会社 磁场测量装置
CN104297702A (zh) * 2014-10-27 2015-01-21 北京航空航天大学 一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法及装置
CN105929458A (zh) * 2016-03-21 2016-09-07 吉林大学 航空磁场矢量检测装置及监测方法
CN106872911A (zh) * 2017-03-03 2017-06-20 中国人民解放军国防科学技术大学 一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9229073B2 (en) * 2012-12-27 2016-01-05 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Systems and method to substantially mitigate AC stark shift effects in a sensor system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103941199A (zh) * 2013-01-21 2014-07-23 精工爱普生株式会社 磁场测量装置
CN104297702A (zh) * 2014-10-27 2015-01-21 北京航空航天大学 一种Bell-Bloom自调制三轴磁场测量的方法及装置
CN105929458A (zh) * 2016-03-21 2016-09-07 吉林大学 航空磁场矢量检测装置及监测方法
CN106872911A (zh) * 2017-03-03 2017-06-20 中国人民解放军国防科学技术大学 一种高激励磁场下的原子磁力仪及使用方法

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