CN112526413A - 一种实现serf磁力仪矢量磁场测量的方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现无自旋交换弛豫(SERF)磁力仪矢量磁场测量的方法和***。使磁力仪工作在横向参数共振模式下，x方向磁场引起的z方向自旋极化变化和y方向磁场引起的z方向自旋极化变化相位差恰好为90度，利用锁相放大器以射频磁场频率解调信号，从锁相放大器的同相通道和异相通道得到x方向和y方向的磁场；泵浦光z方向磁场的测量利用x‑y平面的圆偏振射频磁场使SERF磁力仪同时工作在Mz共振模式下，磁力仪工作点处在吸收线型腰上斜率最大的位置，平衡探测器输出的直流分量信号就代表了z方向的磁场。本方案可实现高灵敏度的三轴磁场测量，而且不需要考虑气室内作用原子是否有重叠，光路简单，易于小型化和集成化。
Description
技术领域
本发明属于原子磁力仪技术领域，尤其是涉及一种利用Mz共振模式和横向参数调制模式同时工作，实现无自旋交换弛豫(SERF)磁力仪矢量磁场测量的方法、***，以及采用该方法和***的SERF磁力仪。
背景技术
SERF磁力仪是一种通过测量微小自旋极化变化，从而精确测得磁场大小的磁力仪。基本原理是：首先通过光泵浦实现原子自旋极化。随后，极化的自旋会在外界微弱磁场的作用下发生偏转。偏转的自旋会在与泵浦光垂直的方向上产生微小的自旋投影，这个自旋极化投影正比于磁场的大小。通过探测这个自旋极化投影，就可以得到磁场的大小。
SERF磁力仪最早是由Happer和Tang发现，后经过Romalis等人发展完善。他们将气室加热到190度的高温来获得1014/cm3的高密度钾蒸气，同时将气室置于非常低的外磁场下(～nT)。此时原子间的自旋交换碰撞频率远大于单个原子的自由拉莫尔进动频率，因此尽管自旋交换碰撞是个随机的去相干过程，但在远小于自由进动周期的时间段内，频繁的碰撞使得每个原子能够按照统计学的规律遍历基态能级上的所有磁量子态，并达到布居几率的热平衡，这样总自旋反倒以一个非常稳定的平均拉莫尔频率在外场中进动，从而彻底消除了自旋交换弛豫。最终主导磁力仪横向弛豫时间T2的机制变为同样正比于原子密度，但碰撞截面要比自旋交换弛豫小3个数量级以上的自旋破坏弛豫。因此，SERF磁力仪是目前最灵敏的原子磁力仪，其超高的灵敏度非常适合应用于测量生物磁场，例如脑磁、心磁的测量。
常规的磁力仪常常只能测量某一个方向的磁场。而在实际的应用需求中，往往需要测量三个轴方向的磁场，这就需要用到矢量磁力仪。董海峰等人(CN104297702A)在Bell-bloom磁力仪的主磁场方向增加一束探测光，两个垂直主磁场方向上的磁场引起的此探测光光强变化相位差为90度，使用锁相放大器解调就可得到垂直主磁场方向上的磁场大小。但是此方法需要有一个较大的主磁场，不适用于零磁场下工作的SERF磁力仪。
常见的SERF磁力仪矢量测量方法是在不改变稳态的条件下，在三个测量轴方向上各施加一个不同频率的振荡磁场，而且频率要满足远低于磁力仪带宽。利用锁相放大器解调出不同频率的信号，就可以得到三个测量轴方向的磁场。但是这种方法不仅影响磁力仪的灵敏度，严重降低磁力仪的带宽，而且无法克服光泵浦方向磁场测量极不灵敏的痼疾。
最近，Shah等人(US10775450B1)考虑到在充惰性气体的原子气室中铷原子不易扩散的特性，在同一个气室里面通过两束垂直的相互不重叠的光，利用一个原子气室将两个相互垂直的横向参数共振磁力仪合在一起，也实现了高灵敏度的三轴磁场测量。但这样，需要考虑气室内作用原子是否有重叠等情况，光路结构复杂，集成匹配难度较大。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于Mz共振模式和横向参数调制模式同时工作的SERF磁力仪矢量磁场测量方法，以及采用该矢量磁场测量方法的***，以及采用***的SERF磁力仪，可实现高灵敏度的三轴磁场测量，而且不需要考虑气室内作用原子是否有重叠，光路简单，易于小型化和集成化。
为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，包括如下步骤：
1)磁力仪工作在无自旋交换弛豫的状态，并且实现差分探测；
2)通过在三维磁场线圈的x方向和y方向上各施加一个频率振幅相同，但是相位相差90度的射频磁场，完成x方向和y方向的磁场调零；
3)改变射频磁场的频率，使得z方向磁场为零的点处在平衡探测器的直流输出振幅随z方向磁场变化的关系曲线图中吸收线型腰上斜率最大的位置，完成射频磁场频率优化；
4)三轴磁场测量时：平衡探测器输出的直流分量信号就代表z方向的磁场；平衡探测器输出端连接锁相放大器，以优化后的射频磁场频率作为参考频率解调之后，从锁相放大器得到x向输出和y向输出，就分别代表了x方向和y方向的磁场。
作为优选，所述步骤1)中，原子气室(2)加热到105-150摄氏度以获得1013-1014/cm3的高原子密度，原子气室(2)处在非常低的外场下，三轴磁场接近于零，磁力仪处在无自旋交换弛豫的状态。
作为优选，所述步骤1)中，一束泵浦光(1)经过原子气室(2)，通过光泵浦将原子气室(2)中的铷原子极化；透射光经过沃拉斯顿棱镜(3)，分成两束到达平衡探测器(4)，实现差分探测。
作为优选，所述泵浦光(1)为椭圆偏振光，波长为铷原子D1线跃迁频率红失谐。
作为优选，所述步骤2)中，将平衡探测器(4)得到的电压信号输入到频谱分析仪中，为了将x、y和z方向的磁场补偿到接近于零，首先在三维磁场线圈(5)的x方向上增加一个10Hz的正弦磁场信号，调节z方向磁场，当其接近零时，功率密度谱图中射频磁场频率处的10Hz旁瓣振幅最大，然后调节x方向和y方向的磁场，当功率密度谱图中射频磁场频率处的振幅为零时，x方向和y方向的磁场完成调零。
作为优选，所述步骤3)中，改变10Hz正弦磁场信号的施加方向，将其加载在三维磁场线圈(5)的z方向；改变射频调制磁场的频率，使得z方向磁场为零的点处在吸收线型腰上斜率最大的位置，此时PSD图中10Hz频率处的振幅最大，完成射频磁场频率优化。
作为优选，所述步骤4)中，将平衡探测器(4)得到的电压信号分别送入示波器和锁相放大器(7)；示波器信号做低通滤波之后的直流分量信号(6)就代表了z方向的磁场；锁相放大器(7)以射频磁场频率作为参考频率，解调之后，从锁相放大器的同相通道和异相通道得到x向输出(8)和y向输出(9)，就代表了x方向和y方向的磁场。
一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的***，采用如上所述的方法实施三轴磁场测量。
一种SERF磁力仪，包括如上所述的***。
本发明技术方案进一步阐述如下：
原子气室加热到高温，例如150摄氏度以获得1014/cm3的高原子密度，同时整个测量装置放置在4层坡莫合金的磁屏蔽桶内，使原子气室处在非常低的外场下，此时磁力仪处在无自旋交换弛豫的状态。一束与Rb87原子近共振的椭圆偏振光，沿着z方向，通过光泵浦将原子气室中的铷原子极化。极化的原子自旋在x或者y方向的磁场作用下会发生偏转，从而使透射光的偏振角随之也发生变化。通过探测透射光偏振角的改变就可以得到磁场的大小。但此时偏转角随外界磁场变化的线型为吸收线型，在磁场为零的共振点处，偏转角随外界磁场的变化很不敏感。此时，如果在待测磁场方向，例如x方向，增加一个高频调制磁场，使SERF磁力仪工作在横向参数调制模式下，将偏转角随外界磁场变化的吸收线型调制成色散线型，将极大地提高磁力仪在磁场为零的共振点处的振幅响应，提高磁力仪的灵敏度。透射光偏振角的变化正比于原子自旋极化的变化，因此我们下面重点分析自旋极化的进动。
在横向参数调制模式下，原子自旋极化在外界磁场下的进动可以由Bloch方程给出：
其中，
Γ为弛豫速率，R为抽运速率。此时，如果y和z方向的磁场等于零，x方向的磁场为Bx+B1cos(ωt)，Bx为待测磁场。为解上述Bloch方程，可以引入标记P+＝Px+iPy，然后在绕着x轴以旋转角速度变化的旋转坐标系下解Bloch方程，可得泵浦光z方向原子自旋极化一阶分量Pz(ω)为：
通过解调上述信号，就可以得到x方向的磁场变化。如果同时在y方向施加一个和x方向射频磁场同频率同振幅，但是相位相差90度的射频磁场B1sin(ωt)，这样垂直磁场方向的线偏振射频磁场就变成了圆偏振射频磁场。此时，By引起的z方向自旋极化变化和Bx引起的z方向自旋极化变化相位差恰好为90度，利用锁相放大器以射频磁场频率解调信号，从锁相放大器的同相通道(in-phase)和异相通道(out-of-phase)就可以得到x和y方向的磁场。
泵浦光z方向磁场的测量可以利用x-y平面的圆偏振射频磁场使SERF磁力仪同时工作在Mz共振模式下。解公式(1)Bloch方程可得泵浦光z方向原子自旋极化直流分量Pz(0)为：
其中，△＝γBz-ω。z方向原子自旋极化直流分量是一个如图4所示的吸收线型，图中可以看出吸收线型腰上的位置斜率最大，磁场变化最敏感。但是为了保持SERF磁力仪工作在最佳状态，需要保持z方向磁场接近于零，因此只能调节射频磁场的频率ω，使得磁力仪工作点处在吸收线型腰上斜率最大的位置。此时，我们就可以测得z方向的磁场。
本发明由于采用了以上的技术方案，使磁力仪工作在横向参数共振模式下，x方向磁场引起的z方向自旋极化变化和y方向磁场引起的z方向自旋极化变化相位差恰好为90度，利用锁相放大器以射频磁场频率解调信号，从锁相放大器的同相通道和异相通道得到x方向和y方向的磁场；泵浦光z方向磁场的测量利用x-y平面的圆偏振射频磁场使SERF磁力仪同时工作在Mz共振模式下，磁力仪工作点处在吸收线型腰上斜率最大的位置，平衡探测器输出的直流分量信号就代表了z方向的磁场。本方案可实现高灵敏度的三轴磁场测量，而且不需要考虑气室内作用原子是否有重叠，光路简单，易于小型化和集成化。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明测量方法的原理示意图；
图2为锁相放大器同相输出幅值随x方向磁场变化的关系曲线；
图3为锁相放大器异相输出幅值随y方向磁场变化的关系曲线；
图4为直流输出振幅随z方向磁场变化的关系曲线。
其中，1、泵浦光；2、原子气室；3、沃拉斯顿棱镜；4、平衡探测器；5、三维磁场线圈；6、z向输出；7、锁相放大器；8、x向输出；9、y向输出。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非上下文另有明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，包括如下步骤：
1)磁力仪工作在无自旋交换弛豫的状态，并且实现差分探测；
2)通过在三维磁场线圈的x方向和y方向上各施加一个频率振幅相同，但是相位相差90度的射频磁场，完成x方向和y方向的磁场调零；
3)改变射频磁场的频率，使得z方向磁场为零的点处在平衡探测器的直流输出振幅随z方向磁场变化的关系曲线图中吸收线型腰上斜率最大的位置，完成射频磁场频率优化；
4)三轴磁场测量时：平衡探测器输出的直流分量信号就代表z方向的磁场；平衡探测器输出端连接锁相放大器，以优化后的射频磁场频率作为参考频率解调之后，从锁相放大器得到x向输出和y向输出，就分别代表了x方向和y方向的磁场。
利用本发明实现三轴磁场测量的具体实施步骤说明如下：
第一步：通过一个高功率低噪声电压源，向高阻线施加一个高频交流电压，给原子气室2加热，将温度稳定在一定的高温，例如150度以获得1014/cm3的高原子密度，同时整个测量装置放置在四层坡莫合金的磁屏蔽桶内，使原子气室2处在非常低的外场下。此时，磁力仪工作在无自旋交换弛豫的状态。如图1所示，一束椭圆偏振的泵浦光1，经过原子气室2，通过光泵浦将原子气室2中的铷原子极化。透射光经过沃拉斯顿棱镜3，分成两束到达平衡探测器4，实现差分探测。
第二步，磁场调零。在三维磁场线圈5的x方向和y方向上各施加一个频率振幅相同，但是相位相差90度的射频磁场。然后将平衡探测器4得到的电压信号输入到频谱分析仪中。为了将x、y和z方向的磁场补偿到接近于零，首先在三维磁场线圈5的x方向上增加一个10Hz的正弦磁场信号，调节z方向磁场，当其接近零时，功率谱密度(power spectraldensity,PSD)图中射频磁场频率处的10Hz旁瓣振幅最大。然后调节x，y方向的磁场，当PSD图中射频磁场频率处的振幅为零时，x，y方向的磁场完成调零。
第三步，射频磁场频率优化。改变10Hz正弦磁场信号的施加方向，将其加载在三维磁场线圈5的z方向。改变射频调制磁场的频率，使得z方向磁场为零的点处在图4吸收线型腰上斜率最大的位置，此时PSD图中10Hz频率处的振幅最大，完成射频磁场频率优化。
第四步，三轴磁场测量。调零和参数优化完成后，将平衡探测器4得到的电压信号分别送入示波器和锁相放大器7。示波器信号做低通滤波之后的信号6就代表了z方向的磁场。锁相放大器7以射频磁场频率作为参考频率，解调之后，从锁相放大器的in-phase和out-of-phase通道得到x向输出8和y向输出9，就代表了x和y方向的磁场。图2为in-phase输出随Bx变化的关系曲线。图3为out-of-phase输出随By变化的关系曲线。图4为直流输出随Bz变化的关系曲线。
一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的***，采用如上所述的方法实施三轴磁场测量。
一种SERF磁力仪，包括如上所述的***。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”、“具体实施方式”、“其他实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例、实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，上述描述的具体特征、结构、材料或者特点也可以在任何的一个或多个实施例、实施方式或示例中以合适的方式结合。本发明记载的技术方案也包括上述描述的任意一个或多个具体特征、结构、材料或者特点以单独或者组合的方式形成的技术方案。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换、变型、删除部分特征、增加特征或重新进行特征组合形成的技术方案，凡是依据本发明的创新原理对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)磁力仪工作在无自旋交换弛豫的状态，并且实现差分探测；
2)通过在三维磁场线圈的x方向和y方向上各施加一个频率振幅相同，但是相位相差90度的射频磁场，完成x方向和y方向的磁场调零；
3)改变射频磁场的频率，使得z方向磁场为零的点处在平衡探测器的直流输出振幅随z方向磁场变化的关系曲线图中吸收线型腰上斜率最大的位置，完成射频磁场频率优化；
4)三轴磁场测量时：平衡探测器输出的直流分量信号就代表z方向的磁场；平衡探测器输出端连接锁相放大器，以优化后的射频磁场频率作为参考频率解调之后，从锁相放大器得到x向输出和y向输出，就分别代表了x方向和y方向的磁场。
2.根据权利要求1所述的一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，其特征在于，所述步骤1)中，原子气室(2)加热到105-150摄氏度以获得1013-1014/cm3的高原子密度，原子气室(2)处在非常低的外场下，三轴磁场接近于零，磁力仪处在无自旋交换弛豫的状态。
3.根据权利要求1所述的一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，其特征在于，所述步骤1)中，一束泵浦光(1)经过原子气室(2)，通过光泵浦将原子气室(2)中的铷原子极化；透射光经过沃拉斯顿棱镜(3)，分成两束到达平衡探测器(4)，实现差分探测。
4.根据权利要求3所述的一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，其特征在于，所述泵浦光(1)为椭圆偏振光，波长为铷原子D1线跃迁频率红失谐。
5.根据权利要求1所述的一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，其特征在于，所述步骤2)中，将平衡探测器(4)得到的电压信号输入到频谱分析仪中，为了将x、y和z方向的磁场补偿到接近于零，首先在三维磁场线圈(5)的x方向上增加一个10Hz的正弦磁场信号，调节z方向磁场，当其接近零时，功率密度谱图中射频磁场频率处的10Hz旁瓣振幅最大，然后调节x方向和y方向的磁场，当功率密度谱图中射频磁场频率处的振幅为零时，x方向和y方向的磁场完成调零。
6.根据权利要求5所述的一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，其特征在于，所述步骤3)中，改变10Hz正弦磁场信号的施加方向，将其加载在三维磁场线圈(5)的z方向；改变射频调制磁场的频率，使得z方向磁场为零的点处在吸收线型腰上斜率最大的位置，此时PSD图中10Hz频率处的振幅最大，完成射频磁场频率优化。
7.根据权利要求1所述的一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，其特征在于，所述步骤4)中，将平衡探测器(4)得到的电压信号分别送入示波器和锁相放大器(7)；示波器信号做低通滤波之后的直流分量信号(6)就代表了z方向的磁场；锁相放大器(7)以射频磁场频率作为参考频率，解调之后，从锁相放大器的同相通道和异相通道得到x向输出(8)和y向输出(9)，就代表了x方向和y方向的磁场。
8.根据权利要求1所述的一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，其特征在于，使磁力仪工作在横向参数共振模式下，x方向磁场引起的z方向自旋极化变化和y方向磁场引起的z方向自旋极化变化相位差恰好为90度，利用锁相放大器(7)以射频磁场频率解调信号，从锁相放大器(7)的同相通道和异相通道得到x方向和y方向的磁场；泵浦光z方向磁场的测量利用x-y平面的圆偏振射频磁场使SERF磁力仪同时工作在Mz共振模式下，磁力仪工作点处在吸收线型腰上斜率最大的位置，平衡探测器(4)输出的直流分量信号(6)就代表了z方向的磁场。
9.一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的***，其特征在于，采用如权利要求1至9中任一项所述的方法实施三轴磁场测量。
10.一种SERF磁力仪，其特征在于，包括如权利要求9所述的***。
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