CN113466756A - 一种磁场测量方法及原子磁力仪*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场测量方法及原子磁力仪***，其中方法包括：控制光强调制器对激光进行周期性调制，得到泵浦光以及探测光，其中泵浦光的光强大于探测光的光强；控制光强调制器对所述泵浦光进行调制，得到带调制信号的调制泵浦光；控制信号探测器接收由探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生；对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。本发明解决了现有技术中的原子磁力仪的灵敏度不高的问题。

Description

一种磁场测量方法及原子磁力仪***

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，尤其涉及的是一种磁场测量方法及原子磁力仪***。

背景技术

磁场探测在资源勘探、地球物理、无损检测、生物医疗以及基础科学等领域有着广泛需求。原子磁力仪相比于传统的磁力仪，具有灵敏度高、体积小、功耗低等优点，适用于地磁勘探、地磁导航、磁异常检测、生物磁检测等众多应用场景。全光型原子磁力仪采用全光学态制备以及光信号探测，无需引入额外的射频磁场信号，有利于多探头的互不干扰和集成；相较于射频原子磁力仪，减少了射频信号所引入的高频成分磁噪声，有利于精密测量稳态或者缓变磁场信号。

但现有技术中的原子磁力仪的通常通过激光光源来提供相同光强的泵浦光和探测光，即泵浦光和探测光采用光强一样的同一激光，由于泵浦光和探测光的光强一样，在探测过程中会由于探测光的光强太强而导致灵敏度不高的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供磁场测量方法及原子磁力仪***，解决了现有技术中的原子磁力仪的灵敏度不高的问题。

本发明提供一种磁场测量方法，包括步骤：

控制光强调制器对激光进行周期性调制，得到泵浦光以及探测光，其中泵浦光的光强大于探测光的光强；

控制光强调制器对所述泵浦光进行调制，得到带调制信号的调制泵浦光；

控制信号探测器接收由探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生,极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生；

对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。

进一步，所述控制光强调制器对激光进行周期性调制，得到泵浦光以及探测光的步骤包括：

控制光强调制器将激光发射时长调制成多个周期T，在所有周期T内对激光进行周期性调制，获取周期时长为T1的泵浦光以及周期时长为T2的探测光，其中T＝T1+T2。

进一步，所述激光波长为795nm；

周期时长T1＝0.3ms，泵浦光的光强为：700μW；

周期时长T2＝0.2ms，探测光的光强为：10μW。

进一步，所述对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值的步骤包括：

对偏振旋转角信号进行解调，得到解调信号的极值点和与所述极值点相对应的所述调制信号的频率；

根据所述极值点相对应的所述调制信号的频率，获取极化态原子的拉莫尔进动频率；

根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值。

进一步，所述控制信号探测器接收由探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生的步骤中：

所述待测磁场包括目标磁场和匀强磁场，所述待测磁场的值为匀强磁场的值加上目标磁场的值；其中所述匀强磁场在所述原子探头中产生，所述匀强磁场的大小值已知，所述匀强磁场的方向与目标磁场的方向相同；

所述根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值的步骤之后还包括：

将所述待测磁场的值减去匀强磁场的值，得到目标磁场的值。

进一步，所述控制光强调制器对激光进行周期性调制，得到泵浦光以及探测光的步骤之前，还包括：

控制激光光源通电后发出激光并采集激光，获取激光光源的频率误差信号；

根据激光光源的频率误差信号，反馈控制所述激光光源的驱动电流，得到稳定激光。

进一步，所述根据激光光源的频率误差信号，反馈控制所述激光光源的驱动电流，得到稳定激光的步骤之后还包括：

控制声光调制器对稳定激光进行移频，产生线偏振激光。

基于相同的发明构思，本方案还提出一种原子磁力仪***，其中包括：激光光源、光强调制器、原子探头、信号探测器以及控制器；

所述控制器分别与所述激光光源、所述光强调制器、所述信号探测器电性连接，并实现如上所述的磁场测量方法。

进一步，一种所述原子探头包括：

偏振片，

平面反射镜，所述平面反射镜倾斜放置在所述偏振片的出光侧，平面反射镜的反射面背向所述偏振片，所述平面反射镜上间隔设置有第一通孔和第二通孔；

第一直角反射棱镜，所述第一直角反射棱镜位于所述平面反射镜背离所述偏振片的一侧；

原子气体室，所述原子气体室位于所述平面反射镜和所述第一直角反射棱镜之间；

以及

第二直角反射棱镜，所述第二直角反射棱镜位于平面反射镜的反射光路径上；

激光穿过偏振片并通过第一通孔进入到原子气体室，经第一直角反射棱镜、平面反射镜、第二直角反射棱镜的多次反射后从第二通孔***出，并被所述信号探测器所接收。

进一步，所述第一通孔和第二通孔之间的间距为L＝√2·d·N，其中d为光斑直径，N为激光在第一直角反射棱镜和第二反射棱镜上的反射总次数。

进一步，另一种所述原子探头包括：

偏振片，

分束器，所述分束器位于所述偏振片的出光侧；

原子气体室，所述原子气体室位于所述分束器背离所述偏振片的一侧；以及

第二平面反射镜，所述第二平面反射镜位于所述原子气体室背离所述分束器的一侧；

所述信号探测器位于所述分束器的出光侧；

激光穿过偏振片并通过分束器进入到所述原子气体室，经所述第二平面反射镜反射进所述原子气体室，经过所述分束器并被所述信号探测器所接收。

有益效果：本发明中的一种磁场测量方法及原子磁力仪***，在原子极化态制备阶段，光强调制器对激光进行周期性调制，获取泵浦光以及探测光，其中泵浦光的光强大于探测光的光强，再通过所述光强调制器对所述泵浦光进行调制，获取带调制信号的调制泵浦光，这样选用光强较强的泵浦光，是因为较强的泵浦光能够提升原子的泵浦速率，增加原子的极化度，极化态原子在待测磁场的作用下进行拉莫尔进动，而极化度高的原子更利于***的检测，从而提升信号强度。在探测时，选用光强较弱的探测光，是因为较弱的探测光能够减少探测光强所引入的散粒噪声，光强较弱的探测光在所述极化态原子的拉莫尔进动作用下形成偏振旋转角度变化的变化探测光，通过信号获取模块接收所述变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，信号解调处理模块对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。通过本方案，通过同一激光产生不同光强的泵浦光和探测光，能分时实现原子极化态的有效泵浦以及高信噪比探测，大大提升了原子磁力仪的灵敏度。同时同一激光产生所产生的泵浦光和探测光，具有较好的一致性，提高了两种光之间的泵浦过程和探测过程的协调性。

附图说明

图1为本发明一种磁场测量方法的主要步骤的流程图。

图2为本发明一种磁场测量方法的优选实施例的流程图。

图3为本发明一种磁场测量方法的分时周期示意图。

图4为本发明一种磁场测量方法的效果对比图。

图5为本发明一种原子磁力仪***的电路原理框图。

图6为本发明一种原子磁力仪***的一种原子探头的工作原理示意图。

图7为本发明一种原子磁力仪***的一种原子探头中的平面反射镜的结构示意图。

图8为本发明一种原子磁力仪***的另一种原子探头的工作原理示意图。

图中：10、激光光源；20、光强调制器；30、原子探头；31、偏振片；32、平面反射镜；33、第一直角反射棱镜；34、原子气体室；35、第二直角反射棱镜；36、分束器；37、第二平面反射镜；38、第一通孔；39、第二通孔；40、信号探测器；50、控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

全光型原子磁力仪的基本工作原理如下：首先，一束激光照射到碱金属原子气体上，对原子进行泵浦过程，使得原子布居在磁子能级上重新分布，宏观上表现为原子具有一定的极化取向，此过程即原子的极化态制备过程；然后极化原子将围绕外磁场方向进行拉莫尔进动，其进动频率(即拉莫尔频率)与外磁场大小成正比；线偏振探测光照射到进动的极化原子上，其偏振平面将发生旋转，该旋转角正比于外磁场大小。整个过程即全光型原子磁力仪的开环结构。

全光型原子磁力仪闭环测量磁场的基本原理如下：首先，对原子的极化态制备进行调制；然后，经过原子拉莫尔进动作用后的激光改变偏振旋转角，接收激光的偏振旋转角信号进行解调，当调制信号的频率等于两倍拉莫尔频率时，解调信号达到极值。我们可以通过扫描调制信号的频率得到解调信号的极值点，获得拉莫尔频率，进而得到磁场的大小。

如图1、图2所示，本发明基于上述基本原理进行改进，提供一种磁场测量方法，用于对待测磁场的大小值进行测量，其中本磁场测量方法包括步骤：

步骤S100、控制激光光源通电后发出激光并采集激光，获取激光光源的频率误差信号。

具体为，激光光源通电后，可通过控制器的控制而开启发出激光，激光光源由激光管、激光驱动电源、以及激光频率探测装置构成，激光驱动电源通电后驱动激光管产生激光，激光频率探测装置检测激光的频率，便于对激光的频率进行控制。

步骤S120、根据激光光源的频率误差信号，反馈控制所述激光光源的驱动电流，得到稳定激光。

具体为，激光频率探测装置对激光光源发出的激光进行采集后检测，获取到发射的激光的频率，通过与设定的频率进行对比，可以得到频率误差信号。控制器根据频率误差信号，计算得到正发射的激光与预设的激光频率的差值后，发送控制指令给激光驱动电源，激光驱动电源根据不同的控制指令进行电流调整，使发出的激光的频率稳定在设定的激光频率值上。

例如，实现反馈控制的过程为：激光光源的激光管发出激光，发出的激光被激光频率探测装置检测，得到发出激光的实际频率，控制器进行计算，当实际频率大于预设的激光频率时，控制器发出控制信号到激光驱动电源，激光驱动电源调小控制激光的电流，从而使激光的频率变小，从而使发出激光的频率调整到与预设频率相等的大小；当实际频率小于预设的激光频率时，控制器发出控制信号到激光驱动电源，激光驱动电源调大控制激光的电流，从而使激光的频率变大，从而使发出激光的频率调整到与预设频率相等的大小。通过上述过程，使本实施例中的所述激光光源所产生的波长为795nm的稳定激光，通过饱和吸收锁定的方式将激光频率稳定在⁸⁷Rb的F＝2→F'＝1的谱线上。

步骤S200、控制声光调制器对稳定激光进行移频，产生线偏振激光。

具体过程中，提供一声光调制器，声光调制器可通过控制器进行开启或关闭，例如当所述激光光源所产生波长为795nm的稳定激光后，再通过声光调制器对激光进行移频，产生近共振的线偏振光，使激光的失谐量为90MHz。近共振的线偏振激光是指频率接近共振频率的线偏振激光，主要根据相互作用强度以及实验***所使用的原子特性来确认。

步骤S300、控制光强调制器对激光进行周期性调制，得到泵浦光以及探测光，其中泵浦光的光强大于探测光的光强。

光强调制器由声光调制器、射频信号发生器、射频放大器构成。光强调制器对激光进行周期性调制，获取泵浦光以及探测光的过程为单路Pump-Probe光脉冲周期调制过程。具体为，如图3所示，光强调制器在控制器指令的控制下，实现对激光光强强弱的周期性调制，将激光发射时长调制成多个周期T；所有周期T分为时长为T1的原子极化态制备阶段以及时长为T2的探测阶段，即T＝T1+T2；通过将激光调制成在T1时间内发射光强较强光作为泵浦光，在T2内发射光强较弱的光作为探测光，这样泵浦光和探测光由同一激光器所发出，其两种光的稳定性能保持一致，且具有较好的一致性，提高了两种光之间的泵浦过程和探测过程的协调性。分时过程中，在一个周期内先进行T1时长的原子态极化，再进行T2时长的探测，可使极化制备过程和探测过程分开进行，避免各光之间的干扰，使测量过程更加灵敏，测量更精确。

本实施例中在时长为T1的原子极化态制备阶段，选用光强较强的泵浦光，是因为较强的泵浦光能够提升原子的泵浦速率，增加原子的极化度，从而提升信号强度，此时激光光强记为P1；在时长为T2的探测阶段，选用光强较弱的探测光，是因为较弱的探测光能够减少探测光强所引入的散粒噪声，此时激光光强记为P2。单路Pump-Probe光脉冲周期调制的过程中，通常分时实现原子极化态的有效泵浦以及高信噪比探测，能够有效提升原子磁力仪的灵敏度。本实施例中的所述周期时长T1＝0.3ms，泵浦光的光强为：700μW；所述周期时长T2＝0.2ms，探测光的光强为：10μW。采用上述测量过程，如图4所示，给出了实验中Pump-Probe恒定光强方案与本Pump-Probe光脉冲周期调制的方案下的探测光的旋转角响应的实验结果对比。从图中不难看出，Pump-Probe光脉冲周期调制的方案下旋转角响应的幅度比Pump-Probe恒定光强方案的旋转角响应幅度提升了约30倍，其灵敏度也提升了一个数量级。

步骤S400、控制光强调制器对所述泵浦光进行调制，获取带调制信号的调制泵浦光。

具体过程中，在本磁场测量过程中采用Pump-Probe光脉冲周期调制，分时实现原子探头上的原子极化态的有效泵浦和高信噪比探测。其中，在原子极化态制备阶段(泵浦光作用原子阶段)，由控制器控制所述光强调制器的射频信号发生器产生一个周期为T’的调制信号，并通过射频放大器进行放大后，使信号更清晰后叠加到泵浦光光强上，通过该信号，使泵浦光具有明确的性能参数，如该调制信号作用在泵浦光上的调制过程可以是泵浦光的频率调制、强度调制或者偏振调制，调制后所产生带有调制信号的调制泵浦光作用到原子上，使原子态极化，从而实现对原子极化态的调制。

本实施例中的调制信号的频率为极化态原子拉莫尔进动频率的倍数，通过叠加与极化态原子拉莫尔进动频率倍数的周期调制信号，实现被测磁场信号的探测和实时跟踪。

步骤S500、控制信号探测器接收由探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生。

本实施例中提供一原子探头用于接收泵浦光，在原子探头中通过调制泵浦光的作用下获取极化态原子，此时原子探头置于待测磁场中，所述极化态原子在待测磁场的作用下进行拉莫尔进动，当探测光照射到在进行拉莫尔进动的极化态原子后，探测光的偏振旋转角度发生变化，形成变化探测光。提供一信号探测器接收所述变化探测光，所述信号探测器可通过控制器进行控制，控制器控制所述信号探测器接收到变化探测光后，通过分析并获取变化探测光的偏振旋转角度信号。

步骤S600、对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。

具体过程中，一束近共振的激光照射到碱金属原子气体上，对原子进行泵浦过程，使得原子布居在磁子能级上重新分布，宏观上表现为原子具有一定的极化取向，此过程即原子的极化态制备过程。再对原子的极化态制备进行调制，该调制过程可以是泵浦光的频率调制、强度调制或者偏振调制，得到上述的调制泵浦光，调制泵浦光照射到原子探头进行原子极化过程，在待测磁场作用下进行拉莫尔进动，当探测光照射到拉莫尔进动的极化原子上时，探测光发生变化，产生上述变化探测光，信号探测器接收到变化的探测光后，通过控制器分析得到偏振旋转角度信号。控制器对探测光的偏振旋转角信号进行解调，当调制信号的频率等于两倍拉莫尔频率时，解调信号达到极值。这样通过扫描调制信号的频率得到解调信号的极值点，获得拉莫尔频率，进而得到磁场的大小。

基于上述原理，控制器可对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。

如图1、图2所示，步骤S600具体包括：

步骤S610、对偏振旋转角信号进行解调，得到解调信号的极值点和与所述极值点相对应的所述调制信号的频率。

步骤S620、根据所述极值点相对应的所述调制信号的频率，获取极化态原子的拉莫尔进动频率。

步骤S630、根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值。

控制器通过解调得到解调信号的极值点，处于极值点所对应的调制信号的频率值为两倍拉莫尔频率值，调制信号的频率值可以通过扫描得到，是已知的数值，当调制信号的周期为T’时，调制信号的频率为周期的倒数1/T’，这样就可以得到极化态原子的拉莫尔频率值，即为二分之一的1/T’。拉莫尔频率值与外磁场大小成正比，所述控制器根据极化态原子的拉莫尔进动频率与待测磁场的正比关系，计算出待测磁场的值。

另外的实施例中，当调制信号的频率小于或者近似等于Pump-Probe分时脉冲的频率时，即原子的拉莫尔进动频率较小，外部磁场较弱时，这样导致原子的拉莫尔进动过程不明显，对探测光的作用就不明显，因此需要增加磁场从而增强整个待测磁场。在所述原子探头中提供一大小值已知的匀强磁场，其中所述匀强磁场的方向与目标磁场的方向相同，所述待测磁场的值为匀强磁场的值加上目标磁场的值。这样待测磁场为匀强磁场加上目标磁场，本实施例中的目标磁场的值为需要计算的磁场值。

在步骤S630的步骤根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值之后还包括：

所述待测磁场的值减去匀强磁场的值，得到目标磁场的值。

具体过程中，由于目标准磁场大小较小，在目标磁场的单独作用下，直接使用单路光Pump-Probe光脉冲周期调制进行闭环测量的方法无法调制、解调出磁场的大小。此时，利用原子探头中的磁场线圈提供一个目标磁场方向上大小已知的匀强磁场，即是在目标磁场上叠加一个方向大小均确定的匀强磁场，提高探测的总磁场大小，极化原子的拉莫尔进动频率也相应得到提升。然后利用原子磁力仪***的闭环调制、解调出总的待测磁场大小，最后待测磁场的值减去所引入大小已知的匀强磁场，即得到目标磁场的大小。通过设置匀强磁场，可以用于地磁环境的补偿以及对被测目标磁场大小的平移，实现对高频拉莫尔进动的测量，进而实现微弱磁场的精密测量。

如图5所示，基于相同的发明构思，本方案还提出一种原子磁力仪***，其中包括：包括：激光光源10、光强调制器20、原子探头30、信号探测器40以及控制器50；所述控制器50分别与所述激光光源10、所述光强调制器20、所述信号探测器40电性连接，并实现如上所述的磁场测量方法。

具体为：所述的激光光源包括激光管、激光驱动电源、激光频率探测装置。所述的光强调制器包括声光调制器、射频信号发生器、射频放大器。所述控制器包括CPU、模拟/数字信号输入输出模块、信号处理模块(软件)、数据存储器。工作过程中，所述激光光源发射出激光，经过所述光强调制器调制后作用到原子探头，控制器实现对激光频率的稳定、对激光光强强弱的周期调制进行控制，并控制信号探测器对原子探头所发出的变化探测光的信号进行采集。另外，信号探测器和控制器可以一体式设置，如集成为计算机，通过计算机进行信号控制与采集。

如图6、图8所示，本实施例中的所述原子探头30的光路结构有两种方式，如图6所示，其中一种原子探头30包括：偏振片31，平面反射镜32，第一直角反射棱镜33，原子气体室34，第二直角反射棱镜35。该原子探头30实现光路的多次反射构型。

具体结构中，所述平面反射镜32倾斜放置在所述偏振片31的出光侧，平面反射镜32倾斜45°设置，平面反射镜32的反射面背向所述偏振片31，所述平面反射镜32上间隔设置有第一通孔38和第二通孔39。所述第一直角反射棱镜33位于所述平面反射镜32背离所述偏振片31的一侧。所述原子气体室34位于所述平面反射镜32和所述第一直角反射棱镜33之间。所述第二直角反射棱镜35位于平面反射镜32的反射光路径上。以激光水平方向射出为例进行光路说明，激光沿水平方向穿过偏振片31并通过第一通孔38进入到原子气体室34，经第一直角反射棱镜33的反射后激光沿水平方向返回到原子气体室34，经过原子气体室34后的激光被平面反射镜32反射并使激光沿竖直方向，然后沿竖直方向的激光被第二直角反射棱镜35反射后射到平面反射镜32上，然后沿水平方向朝向第一直角反射棱镜33射出，这样再从第一直角棱镜反射到平面反射镜32，再到第二直角反射棱镜35，这样经过多次后，激光后从第二通孔39***出。射出的激光被信号探测器40所接收。

如图6、图7所示，所述第一通孔38和第二通孔39之间的间距为L＝√2·d·N，其中d为光斑直径，N为激光在第一直角反射棱镜和第二反射棱镜上的反射总次数。本实施例中的所选用的光斑大小为2mm的激光。该反射光路结构不仅能够通过多次照射原子气体增加有效原子数，从而提升原子磁力仪的测量灵敏度，而且该结构简便，有效探测区域能够更加靠近被测目标物体，利于小型化。

如图8所示，另一种所述原子探头30包括：偏振片31，分束器36，原子气体室34，第二平面反射镜37。所述分束器36位于所述偏振片31的出光侧，所述原子气体室34位于所述分束器36背离所述偏振片31的一侧，所述第二平面反射镜37位于所述原子气体室34背离所述分束器36的一侧，所述信号探测器40位于所述分束器36的出光侧。所述分束器36的出光侧为最后射出光线的一侧，第二平面反射镜37沿竖直方向设置。以激光水平方向射出为例进行光路说明，沿水平方向的激光穿过偏振片31并通过分束器36进入到所述原子气体室34，经所述第二平面反射镜37反射进入所述原子气体室34，经过所述分束器36后改变方向为沿竖直方向射出的激光，沿竖直方向射出的激光被所述信号探测器40所接收。该原子探头30的结构简便，有效探测区域内能够更加靠近被测目标物体，利于小型化。

综上所述，本发明中的一种磁场测量方法及原子磁力仪***，在原子极化态制备阶段，光强调制器对激光进行周期性调制，获取泵浦光以及探测光，其中泵浦光的光强大于探测光的光强，再通过所述光强调制器对所述泵浦光进行调制，获取带调制信号的调制泵浦光，这样选用光强较强的泵浦光，是因为较强的泵浦光能够提升原子的泵浦速率，增加原子的极化度，极化态原子在待测磁场的作用下进行拉莫尔进动，而极化度高的原子更利于***的检测，从而提升信号强度。在探测时，选用光强较弱的探测光，是因为较弱的探测光能够减少探测光强所引入的散粒噪声，光强较弱的探测光在所述极化态原子的拉莫尔进动作用下形成偏振旋转角度变化的变化探测光，通过信号获取模块接收所述变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，信号解调处理模块对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。通过本方案，采用不同光强的泵浦光和探测光，能分时实现原子极化态的有效泵浦以及高信噪比探测，大大提升了原子磁力仪的灵敏度。反射式光路结构不仅能够通过多次照射原子气体增加有效原子数，从而提升原子磁力仪的测量灵敏度，而且该结构简便，有效探测区域能够更加靠近被测目标物体，利于小型化。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁场测量方法，其特征在于，包括步骤：

控制光强调制器对激光进行周期性调制，得到泵浦光以及探测光，其中泵浦光的光强大于探测光的光强；

控制光强调制器对所述泵浦光进行调制，得到带调制信号的调制泵浦光；

控制信号探测器接收由探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生；

对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值。

2.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，所述控制光强调制器对激光进行周期性调制，得到泵浦光以及探测光的步骤包括：

控制光强调制器将激光发射时长调制成多个周期T,在所有周期T内对激光进行周期性调制，获取周期时长为T1的泵浦光以及周期时长为T2的探测光，其中T＝T1+T2。

3.根据权利要求2所述的磁场测量方法，其特征在于，所述控制光强调制器将激光发射时长调制成多个周期T,在所有周期T内对激光进行周期性调制，获取周期时长为T1的泵浦光以及周期时长为T2的探测光的步骤中：

所述激光波长为795nm；

周期时长T1＝0.3ms，泵浦光的光强为：700μW；

周期时长T2＝0.2ms，探测光的光强为：10μW。

4.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，所述对偏振旋转角信号进行解调，并根据所述调制信号的频率计算获取待测磁场的值的步骤包括：

对偏振旋转角信号进行解调，得到解调信号的极值点和与所述极值点相对应的所述调制信号的频率；

根据所述极值点相对应的所述调制信号的频率，获取极化态原子的拉莫尔进动频率；

根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值。

5.根据权利要求4所述的磁场测量方法，其特征在于，所述控制信号探测器接收由探测光经过极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的变化探测光，获取变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生，极化态原子的拉莫尔进动在待测磁场下产生的步骤中：

所述待测磁场包括目标磁场和匀强磁场，所述待测磁场的值为匀强磁场的值加上目标磁场的值；其中所述匀强磁场在所述原子探头中产生，所述匀强磁场的大小值已知，所述匀强磁场的方向与目标磁场的方向相同；

所述根据极化态原子的拉莫尔进动频率，计算出待测磁场的值的步骤之后还包括：

将所述待测磁场的值减去匀强磁场的值，得到目标磁场的值。

6.根据权利要求1所述的磁场测量方法，其特征在于，所述控制光强调制器对激光进行周期性调制，得到泵浦光以及探测光的步骤之前，还包括：

控制激光光源通电后发出激光并采集激光，获取激光光源的频率误差信号；

根据激光光源的频率误差信号，反馈控制所述激光光源的驱动电流，得到稳定激光。

7.根据权利要求6所述的磁场测量方法，其特征在于，所述根据激光光源的频率误差信号，反馈控制所述激光光源的驱动电流，得到稳定激光的步骤之后还包括：

控制声光调制器对稳定激光进行移频，产生线偏振激光。

8.一种原子磁力仪***，其特征在于，包括：激光光源、光强调制器、原子探头、信号探测器以及控制器；

所述控制器分别与所述激光光源、所述光强调制器、所述信号探测器电性连接，并实现如权利要求1-7任一所述的磁场测量方法。

9.根据权利要求8所述的原子磁力仪***，其特征在于，所述原子探头包括：

偏振片；

平面反射镜，所述平面反射镜倾斜放置在所述偏振片的出光侧，平面反射镜的反射面背向所述偏振片，所述平面反射镜上间隔设置有第一通孔和第二通孔；

第一直角反射棱镜，所述第一直角反射棱镜位于所述平面反射镜背离所述偏振片的一侧；

原子气体室，所述原子气体室位于所述平面反射镜和所述第一直角反射棱镜之间；以及

第二直角反射棱镜，所述第二直角反射棱镜位于平面反射镜的反射光路径上；

激光穿过偏振片并通过第一通孔进入到原子气体室，经第一直角反射棱镜、平面反射镜、第二直角反射棱镜的多次反射后从第二通孔***出，并被所述信号探测器所接收；

所述第一通孔和第二通孔之间的间距为

其中d为光斑直径，N为激光在第一直角反射棱镜和第二反射棱镜上的反射总次数。

10.根据权利要求8所述的原子磁力仪***，其特征在于，所述原子探头包括：

偏振片；

分束器，所述分束器位于所述偏振片的出光侧；

原子气体室，所述原子气体室位于所述分束器背离所述偏振片的一侧；以及

第二平面反射镜，所述第二平面反射镜位于所述原子气体室背离所述分束器的一侧；

所述信号探测器位于所述分束器的出光侧；

激光穿过偏振片并通过分束器进入到所述原子气体室，经所述第二平面反射镜反射进所述原子气体室，经过所述分束器并被所述信号探测器所接收。

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