CN113671424B - 一种磁场梯度测量方法以及原子磁力梯度仪*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场梯度测量方法以及原子磁力梯度仪***，包括控制光调制器对激光进行处理，得到泵浦光以及探测光；控制光调制器对泵浦光进行周期性调制，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依次经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第二变化探测光，获取第二变化探测光的偏振旋转角度信号；对第一变化探测光的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第一待测外磁场的值，可同时获得第一极化态原子处的磁场强度。本发明实现了一种灵敏紧凑的磁场强度和磁场梯度的同时测量方法，并且能够抑制磁场梯度测量中的共模噪声，提升磁场梯度测量的灵敏度和精度。

Description

一种磁场梯度测量方法以及原子磁力梯度仪***

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，特别涉及一种磁场梯度测量方法以及原子磁力梯度仪***。

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、国防军事以及基础科学等领域有着广泛需求，而磁场梯度仪测量空间中不同位置的磁场大小差值，可以提供被测对象更丰富精确的信息。同时，磁场梯度仪，通过区分测量背景磁场和信号磁场，可以抑制共模噪声，提高待测磁场信号的测量灵敏度和精度。原子磁力仪和原子磁力梯度仪，作为新型磁场探测装置，具有高灵敏度、小体积、低功耗等优势，可以在磁场探测领域发挥重要价值。

现有的原子磁力梯度仪，是通过将激光分束后分别照射到两处原子气体，分别对两处原子气体处的磁场信号进行提取，然后通过处理两处信号从而获取磁场梯度的信息，但是该方案无法有效的抑制磁场梯度测量中的共模噪声，影响磁场梯度测量的灵敏度以及精度。

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一种磁场梯度测量方法以及原子磁力梯度仪***，解决现有技术中存在的共模噪声影响大，使得原子磁力仪对于磁场的测量不精确，不利于磁场的精密测量的问题。

本发明的技术方案如下：

一种磁场梯度测量方法，包括步骤：

控制光调制器对激光进行处理，得到泵浦光以及探测光；

控制光调制器对所述泵浦光进行周期性调制，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第一极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第一变化探测光，获取第一变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述第一极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生，第一极化态原子的拉莫尔进动在与第一待测外磁场下产生；

对第一变化探测光的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第一待测外磁场的值；

控制信号探测器接收由探测光依次经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第二变化探测光，获取第二变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述第二极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生且第二极化态原子和第一极化态原子的极化方向互相垂直，第二极化态原子的拉莫尔进动在第二待测外磁场下产生；

对第二变化探测光的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第一待测外磁场和第二待测外磁场的差值。

进一步，所述控制光调制器对激光进行处理，得到泵浦光以及探测光的步骤中：

所述光调制器分别对两束激光进行移频，得到共振泵浦光，以及远失谐的探测光，其中所述探测光的失谐量为400MHz。

进一步，所述控制信号探测器接收由探测光依次经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第二变化探测光，获取第二变化探测光的偏振旋转角度信号的步骤之前还包括步骤：

控制泵浦光与探测光通过偏振分束器合束后作用到所述原子探头。

进一步，所述控制光调制器对激光进行处理，得到泵浦光以及探测光的步骤中：

控制光调制器对一束激光进行分时控制，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。

进一步，所述控制光调制器对所述泵浦光进行周期性调制，得到带调制信号的调制泵浦光的步骤中：

所述光调制器对泵浦光的频率、光强或者偏振进行周期性调制。

进一步，所述对第二变化探测光的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第一待测外磁场和第二待测外磁场的差值的步骤包括：

对第二变化探测光的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，获取第一极化态原子和第二极化态原子的拉莫尔进动频率的差值；

根据第一极化态原子和第二极化态原子的拉莫尔进动频率的差值，计算出第一待测外磁场和第二待测外磁场的差值。

进一步，所述控制光调制器对激光进行处理，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，其中所述激光波长为795nm，所述激光频率稳定在⁸⁷Rb的F＝2→F'＝1的谱线上。

基于同样的构思，本发明还公开一种原子磁力梯度仪***，包括：激光光源、光调制器、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、所述光调制器、所述信号探测器电性连接，并实现如上所述的磁场梯度测量方法。

进一步，所述原子探头包括：

偏振片，所述偏振片位于入射光处；

分束器，所述分束器设置在所述偏振片的出光侧；

第一直角反射棱镜，所述第一直角反射棱镜位于所述分束器背离所述偏振片的一侧；

第一原子气体室，所述第一原子气体室位于所述分束器与所述第一直角反射棱镜之间；

光挡，所述光挡位于所述分束器与所述第一原子气体室之间；

移相器，所述移相器位于所述分束器反射光出光侧；

平面反射镜，所述平面反射镜倾斜放置在所述移相器背离所述第二分束器的一侧；

第二直角反射棱镜，所述第二直角反射棱镜位于所述平面反射镜反射光的出光侧；以及

第二原子气体室，所述第二原子气体室位于所述平面反射镜与所述第二直角反射棱镜之间；

所述信号探测器包括第一信号探测器，所述第一信号探测器用于接收经第一原子气体室内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光；

所述信号探测器还包括第二信号探测器，所述第二信号探测器用于接收依次经第一原子气体室内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二原子气体室内的第二极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光。

进一步，所述原子探头包括：

偏振片，所述偏振片设置在入射光处；

分束器，所述分束器放置在所述偏振片的出光侧；

第一原子气体室，所述第一原子气体室位于所述偏振片与所述分束器之间；

所述信号探测器包括第一信号探测器，所述第一信号探测器位于所述分束器的反射光出光侧，并用于接收经第一原子气体室内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光；

移相器，所述移相器放置在所述分束器透射光出光侧；以及

第二原子气体室，所述第二原子气体室位于所述移相器背离偏振片的一侧；

所述信号探测器包括第二信号探测器，所述第二信号探测器位于所述第二原子气体室的出光侧，并用于接收依次经第一原子气体室内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二原子气体室内的第二极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出的一种磁场梯度测量方法以及原子磁力梯度仪***，在原子极化态制备阶段，通过光调制器对激光进行处理，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依次经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二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第二变化探测光，而且第一极化态原子和第二极化态原子的极化方向互相垂直，通过信号获取模块接收所述第二变化探测光，获取第二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两处待测外磁场的差值。通过本方案，不仅具有原子磁力仪灵敏度高、体积小、功耗低等优点。同时通过一束探测光连续经过两处极化方向互相垂直的极化态原子进行拉莫尔进动，从而能抑制共模噪声，使得原子磁力梯度仪对于磁场的测量更加精确，有利于磁场的精密测量，使其更好的用于地磁导航、生物医疗、磁异常检测、反潜等实际应用需求中。另外，对于经过第一极化态原子的探测光进行分束探测，单独可获取经过第一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第一变化探测光的偏振旋转角度信号，信号解调处理模块对第一变化探测光的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第一待测外磁场的值。

附图说明

图1为本发明一种磁场梯度测量方法的主要步骤的流程图。

图2为本发明一种磁场梯度测量方法的优选实施例的流程图。

图3为本发明一种原子磁力梯度仪***的电路原理框图。

图4为本发明一种原子磁力梯度仪***的一种原子探头的工作原理示意图。

图5为本发明一种原子磁力梯度仪***的另一种原子探头的工作原理示意图；

图6为本发明一种原子磁力梯度仪方法中偏振分束器的工作原理图。

图中各标号：10、激光光源；20、光调制器；30、原子探头；31、偏振片；32、分束器；331、第一原子气体室；332、第二原子气体室；34、移相器；351、第一直角反射棱镜；352、第二直角反射棱镜；36、光挡；37、平面反射镜；38、偏振分束器；40、信号探测器；401、第一信号探测器；402、第二信号探测器；50、控制器。

具体实施方式

本发明提供了一种磁场梯度测量方法以及原子磁力梯度仪***，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实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，提供一种磁场梯度测量方法，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、控制光调制器对激光进行处理，得到泵浦光以及探测光。

光强调制器由光调制器、射频信号发生器、射频放大器构成。本步骤中的所述泵浦光和所述探测光有两种方式得到。

第一种方式为：光强调制器对一束激光进行周期性调制，获取泵浦光以及探测光。具体为，再控制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，提供一光调制器，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，再通过光调制器对激光进行移频，产生近共振的线偏振光。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。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。

第二种方式为：所述光调制器分别对两束激光进行移频，得到共振泵浦光，以及远失谐的探测光，其中所述探测光的失谐量为400MHz。

步骤S300、控制光调制器对所述泵浦光进行周期性调制，得到带调制信号的调制泵浦光。

具体过程中，在磁场测量过程的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是对其一项光参量进行周期性调制。其中可以是泵浦光的频率进行周期性调制、强度进行周期性调制或者偏振进行周期性调制，本实施例中对泵浦光的光强进行周期性调制，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。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。

当采用第二种方式得到所述泵浦光和所述探测光后，如图6所示，需要控制泵浦光与探测光通过偏振分束器38合束后作用到所述原子探头，实现对原子态极化。偏振分束器38合束使探测光作用的区域被泵浦光进行原子极化的区域所覆盖。这样提高测量的准确性。

步骤S400、控制信号探测器接收由探测光经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第一变化探测光，获取第一变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述第一极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生，第一极化态原子的拉莫尔进动在与第一待测外磁场下产生。

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第一极化态原子，此时原子探头置于第一待测外磁场中，所述第一极化态原子在第一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第一极化态原子后，探测光的偏振旋转角度发生变化，形成第一变化探测光。提供一信号探测器接收所述第一变化探测光，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第一变化探测光后，通过分析并获取第一变化探测光的偏振旋转角度信号。

步骤S500、对第一变化探测光的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第一待测外磁场的值。

信号探测器接收到第一变化探测光后，通过控制器分析得到第一变化探测光的偏振旋转角度信号。控制器对第一变化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，进而得到第一待测外磁场的大小。

步骤S600、控制信号探测器接收由探测光依次经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第二变化探测光，获取第二变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述第二极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生且第二极化态原子和第一极化态原子的极化方向互相垂直，第二极化态原子的拉莫尔进动在第二待测外磁场下产生。

本实施例中提供一原子探头用于接收泵浦光，在原子探头中分别提供两个原子气体室，调制泵浦光依次通过两个原子气体室，使两个原子气体室内分别得到上述的第一极化态原子和第二极化态原子，第二极化态原子和第一极化态原子的极化方向互相垂直。此时原子探头置于第一待测外磁场和第二待测外磁场中，所述第一极化态原子、第二极化态原子分别在第一待测外磁场和第二待测外磁场的作用下进行拉莫尔进动，当探测光依次照射到在进行拉莫尔进动的第一极化态原子、第二极化态原子后，探测光的偏振旋转角度发生变化，形成第二变化探测光。提供一信号探测器接收所述第二变化探测光，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第二变化探测光后，通过分析并获取变化探测光的偏振旋转角度信号。

步骤S700、对第二变化探测光的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第一待测外磁场和第二待测外磁场的差值。

具体过程中，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。在上述理论的基础上，将线偏振探测光连续通过两处原子气体，并通过调节泵浦光对两处原子气体极化的方向，使得探测光分别在第二极化态原子的拉莫尔进动作用下和第二极化态原子拉莫尔进动作用下的偏振旋转角的方向相反，则最终总的偏振旋转角正比于两处外磁场大小的差值。整个过程即全光型原子磁力梯度仪的开环结构。

基于上述原理，控制器可对第二变化探测光的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两处待测外磁场的差值。

如图1、图2所示，步骤S700具体包括：

步骤S710、对第二变化探测光的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S720、根据所述极值点相对应的所述调制信号的频率，获取第一极化态原子和第二极化态原子的拉莫尔进动频率的差值。

步骤S730、根据第一极化态原子和第二极化态原子的拉莫尔进动频率的差值，计算出第一待测外磁场和第二待测外磁场的差值。

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(光强的变化)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两处待测外磁场的正比关系，从而得到两处外磁场大小的差值。

具体过程中，探测光的偏振旋转角信号正比于原子的极化强度P以及外磁场的大小B，而原子的极化强度P与泵浦光的泵浦速率Γ_op以及原子的弛豫速率Γ_rel相关(其可以表示为/>)，泵浦光的泵浦速率Γ_op正比于泵浦光的光强I，因此探测光的偏振旋转角信号/>与泵浦光的光强I以及外磁场的大小B之间的关系可以表示为：/>当泵浦光的光强I足够大时，探测光的偏振旋转角信号/>只依赖于外磁场的大小B，即/>本实施例中的所述泵浦光的光强为1mW，探测光的光强为10μW。这样更便于计算两处外磁场(第一待测外磁场和第二待测外磁场)大小的差值，得到优化的结果。

在该方案中，只采用一束探测光对磁场梯度进行测量，由于第一极化态原子和第二极化态原子的极化方向互相垂直，探测光分别经过第一极化态原子与第二极化态原子时，所产生的旋转角方向相反，最终旋转角信号是两处旋转角信号的差值，因此在第一极化态原子处与第二极化态原子处的共同磁噪声以及与光偏振相关的光噪声被有效的抑制了。

如图3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梯度测量方法。

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，经过所述声光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。

另外，需要说明的是：为使测量结果更合理与准确。所述第一待测外磁场与第二待测外磁场大小的差值不能大于原子探头中用于产生极化原子的原子气体室的磁线宽。当第一待测外磁场与第二待测外磁场的差值大于原子气体室的磁线宽就无法测量两处磁场差值。

如图3、图4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，分束器32，第一直角反射棱镜351，第一原子气体室331，光挡36，移相器34，平面反射镜37，第二直角反射棱镜352，第二原子气体室332。该原子探头30实现光路的多次反射构型。所述偏振片31位于激光的入光侧，所述分束器32设置在所述偏振片31的出光侧，所述第一直角反射棱镜351位于所述分束器32背离所述偏振片31的一侧，所述第一原子气体室331位于所述分束器32与所述第一直角反射棱镜351之间。所述光挡36位于所述分束器32与所述第一原子气体室331之间。所述移相器34位于所述分束器32反射光出光侧。所述平面反射镜37倾斜放置在所述移相器34背离所述第二分束器32的一侧。所述第二直角反射棱镜352位于所述平面反射镜37反射光的出光侧，所述第二原子气体室332位于所述平面反射镜37与所述第二直角反射棱镜352之间。所述信号探测器40包括第一信号探测器401，所述第一信号探测器401用于接收经第一原子气体室331内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光。所述信号探测器40还包括第二信号探测器402，所述第二信号探测器402用于接收依次经第一原子气体室331内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二原子气体室332内的第二极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光。

激光中的调制泵浦光穿过偏振片31进行起偏，透射并通过分束器32后进入到第一原子气体室331，对第一原子气体室331内的原子进行极化，使第一原子气体室331内的极化原子在外磁场的作用下产生拉莫尔进动，调制泵浦光再经过第一直角反射棱镜351反射，折返的调制泵浦光经过分束器32反射后，进入移相器34，经过移相器34对调制泵浦光进行调节，使调制泵浦光对两处原子气体的极化方向相反，这样使得探测光经过两处拉莫尔进动的极化原子气体时，两次偏振旋转角的方向相反。

在该原子探头30结构中，探测光具有两种光路，其中第一条光路为：激光中的探测光穿过偏振片31进行起偏，透射并通过分束器32后进入到第一原子气体室331，在第一原子气体室331内的极化原子拉莫尔进动作用下进行一次偏振旋转角改变，探测光再经过第一直角反射棱镜351反射，折返的探测光经过分束器32透射后，被第一信号探测器401所接收。此时第一信号探测器401所接收到的偏振旋转角信号正比于第一原子气体室331处磁场的大小，通过解调制第一信号探测器401所接收的信号可以得到第一原子气体室331处磁场的大小。

第二条光路中，激光中的探测光穿过偏振片31进行起偏，透射并通过分束器32后进入到第一原子气体室331，在第一原子气体室331内的极化原子拉莫尔进动作用下进行第一次偏振旋转角改变，探测光再经过第一直角反射棱镜351反射，折返的探测光经过分束器32反射、透射移相器34，再进过平面反射镜37反射后进入到第二原子气体室332，在极化原子拉莫尔进动作用下进行第二次偏振旋转角改变，最后经过第二直角反射棱镜352反射、平面镜反射后再经过分束器32透射，被第二信号探测器402所接收。此时第二信号探测器402所接收到的偏振旋转角信号正比于第一原子气体室331与第二原子气体室332处磁场大小的差值，通过解调制第二信号探测器402所接收的信号可以得到两个原子气体室处磁场大小的差值。

本实施例中在所述分束器32与所述第一原子气体室331之间设置光挡36，其作用是防止泵浦光以及探测光在两个原子气体室内多次反射，影响探测结果。

该反射光路结构不仅能够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3、图5所示，另一种所述原子探头30包括：偏振片31，分束器32，第一原子气体室331，移相器34，第二原子气体室332。所述信号探测器40包括第一信号探测器401，以及第二信号探测器402。所述偏振片31设置在入射光处，所述分束器32放置在所述偏振片31的出光侧。所述第一原子气体室331位于所述偏振片31与所述分束器32之间，所述第一信号探测器401位于所述分束器32的反射光出光侧，并用于接收经第一原子气体室331内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光。所述移相器34放置在所述分束器32透射光出光侧，所述第二原子气体室332位于所述移相器34背离偏振片31的一侧。所述第二信号探测器402位于所述第二原子气体室332的出光侧，并用于接收依次经第一原子气体室331内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二原子气体室332内的第二极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光。

为使测量结果更合理与准确。所述第一原子气体室331的磁线宽和第二原子气体室332的磁线宽大于或等于第一待测外磁场与第二待测外磁场大小的差值。

在该原子探头30结构中的光路也有两种，以探测光的路径为例进行说明，分别为第一种光路：第一条光学路径为探测光穿过偏振片31进行起偏，然后进入到第一原子气体室331，在第一原子气体室331内的极化原子拉莫尔进动作用下进行第一次偏振旋转角改变，穿过第一原子气体室331后再经过分束器32，经过分束器32反射后被第一信号探测器401所接收。此时第一信号探测器401所接收到的偏振旋转角信号正比于第一原子气体室331处磁场的大小，通过解调制第一信号探测器401所接收的信号可以得到第一原子气体室331处磁场的大小。

第二种光路，探测光穿过偏振片31进行起偏，然后进入到第一原子气体室331，在第一原子气体室331内的极化原子拉莫尔进动作用下进行第一次偏振旋转角改变，穿过第一原子气体室331后再经过分束器32，经过分束器32透射后进入移相器34，透射后再进入到第二原子气体室332，在极化原子拉莫尔进动作用下进行第二次偏振旋转角改变，穿透第二原子气体室332后被第二信号探测器402所接收。此时第二信号探测器402所接收到的偏振旋转角信号正比于第一原子气体室331与第二原子气体室332处磁场大小的差值，通过解调制第二信号探测器402所接收的信号可以得到两个原子气体室处磁场大小的差值。

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，通过光调制器对激光进行处理，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依次经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二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第二变化探测光，而且第一极化态原子和第二极化态原子的极化方向互相垂直，通过信号获取模块接收所述第二变化探测光，获取第二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两处待测外磁场的差值。通过本方案，不仅具有原子磁力仪灵敏度高、体积小、功耗低等优点。同时通过一束探测光连续经过两处极化方向互相垂直的极化态原子进行拉莫尔进动，从而能抑制共模噪声，使得原子磁力梯度仪对于磁场的测量更加精确，有利于磁场的精密测量，使其更好的用于地磁导航、生物医疗、磁异常检测、反潜等实际应用需求中。另外单独可获取只经过第一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第一变化探测光的偏振旋转角度信号，信号解调处理模块对第一变化探测光的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第一待测外磁场的值。

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 (8)

1.一种磁场梯度测量方法，其特征在于，包括步骤：

控制光调制器对激光进行处理，得到泵浦光以及探测光，其中控制光调制器对一束激光进行分时控制，得到泵浦光以及探测光，泵浦光的光强大于探测光的光强；

控制光调制器对所述泵浦光进行周期性调制，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第一极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第一变化探测光，获取第一变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述第一极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生，第一极化态原子的拉莫尔进动在第一待测外磁场下产生；

对第一变化探测光的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第一待测外磁场的值；

控制信号探测器接收由探测光依次经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第二变化探测光，获取第二变化探测光的偏振旋转角度信号，其中所述第二极化态原子由所述调制泵浦光作用在原子探头上产生且第二极化态原子和第一极化态原子的极化方向互相垂直，第二极化态原子的拉莫尔进动在第二待测外磁场下产生；对第二变化探测光的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第一待测外磁场和第二待测外磁场的差值；

所述对第二变化探测光的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第一待测外磁场和第二待测外磁场的差值的步骤包括：

对第二变化探测光的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，获取第一极化态原子和第二极化态原子的拉莫尔进动频率的差值；

根据第一极化态原子和第二极化态原子的拉莫尔进动频率的差值，计算出第一待测外磁场和第二待测外磁场的差值。

2.根据权利要求1所述的磁场梯度测量方法，其特征在于，所述控制光调制器对激光进行处理，得到泵浦光以及探测光的步骤中：所述光调制器分别对两束激光进行移频，得到共振泵浦光，以及远失谐的探测光，其中所述探测光的失谐量为400MHz。

3.根据权利要求2所述的磁场梯度测量方法，其特征在于，所述控制信号探测器接收由探测光依次经过第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二极化态原子的拉莫尔进动作用后得到的第二变化探测光，获取第二变化探测光的偏振旋转角度信号的步骤之前还包括步骤：

控制泵浦光与探测光通过偏振分束器合束后作用到所述原子探头。

4.根据权利要求1所述的磁场梯度测量方法，其特征在于，所述控制光调制器对所述泵浦光进行周期性调制，得到带调制信号的调制泵浦光的步骤中：

所述光调制器对泵浦光的频率、光强或者偏振进行周期性调制。

5.根据权利要求1所述的磁场梯度测量方法，其特征在于，所述控制光调制器对激光进行处理，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，其中所述激光波长为795nm，所述激光频率稳定在⁸⁷Rb的F=2→F'=1的谱线上。

6.一种原子磁力梯度仪***，其特征在于，包括：激光光源、光调制器、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、所述光调制器、所述信号探测器电性连接，并实现如权利要求1-5任一所述的磁场梯度测量方法。

7.根据权利要求6所述的原子磁力梯度仪***，其特征在于，所述原子探头包括：

偏振片，所述偏振片位于入射光处；

分束器，所述分束器设置在所述偏振片的出光侧；

第一直角反射棱镜，所述第一直角反射棱镜位于所述分束器背离所述偏振片的一侧；

第一原子气体室，所述第一原子气体室位于所述分束器与所述第一直角反射棱镜之间；

光挡，所述光挡位于所述分束器与所述第一原子气体室之间；

移相器，所述移相器位于所述分束器反射光出光侧；

平面反射镜，所述平面反射镜倾斜放置在所述移相器背离所述分束器的一侧；

第二直角反射棱镜，所述第二直角反射棱镜位于所述平面反射镜反射光的出光侧；以及

第二原子气体室，所述第二原子气体室位于所述平面反射镜与所述第二直角反射棱镜之间；

所述信号探测器包括第一信号探测器，所述第一信号探测器用于接收经第一原子气体室内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光；

所述信号探测器还包括第二信号探测器，所述第二信号探测器用于接收依次经第一原子气体室内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二原子气体室内的第二极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光。

8.根据权利要求6所述的原子磁力梯度仪***，其特征在于，所述原子探头包括：

偏振片，所述偏振片设置在入射光处；

分束器，所述分束器放置在所述偏振片的出光侧；

第一原子气体室，所述第一原子气体室位于所述偏振片与所述分束器之间；

所述信号探测器包括第一信号探测器，所述第一信号探测器位于所述分束器的反射光出光侧，并用于接收经第一原子气体室内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光；

移相器，所述移相器放置在所述分束器透射光出光侧；以及

第二原子气体室，所述第二原子气体室位于所述移相器背离偏振片的一侧；

所述信号探测器包括第二信号探测器，所述第二信号探测器位于所述第二原子气体室的出光侧，并用于接收依次经第一原子气体室内的第一极化态原子的拉莫尔进动作用、第二原子气体室内的第二极化态原子的拉莫尔进动作用后反射出的探测光。