CN113721172A - 磁力仪以及磁力仪检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁力仪以及磁力仪检测方法。激光模块用于发射第一激光光束。分束模块设置于第一激光光束的光路上。线偏振模块设置于第二激光光束的光路上。声光调制模块设置于光强可调线偏振光光束的光路上。衍射光选择模块设置于衍射光的光路上。圆偏振模块设置于1级衍射光的光路上。原子气室设置于圆偏振光的光路上。光电探测模块设置于探测光的光路上。信号发生模块的输出端与声光调制模块的控制端连接。锁相放大模块的输入端分别与光电探测模块的输出端与信号发生模块的输出端连接。控制模块的输入端与锁相放大模块的输出端连接，控制模块的输出端与信号发生模块的控制端连接。

Description

磁力仪以及磁力仪检测方法

技术领域

本申请涉及量子精密测量技术领域，特别是涉及一种磁力仪以及磁力仪检测方法。

背景技术

微弱磁场信号的检测可应用于很多重要领域，例如无损检测、地质勘探、水下长波通讯和地磁导航等。传统的磁通门测量的磁场一般在nT量级，无法实现更加微弱的磁场测量。基于量子效应研制的磁强计和梯度计主要有两大类，一类是基于超导量子干涉器所研制的磁强计或梯度计，另一类是原子磁力仪或磁梯度计。原子磁力仪不需要庞大的制冷装置，更容易实现装置的小型化，同时灵敏度也能达到亚fT量级，在很多领域都有较为广泛的应用。

然而，传统磁力仪中设置有多个射频线圈。射频线圈的引入在很多应用中会存在严重的缺陷。射频线圈之间会存在串扰，使得引入误差，进而导致磁力仪的灵敏度偏低。并且，传统磁力仪中射频线圈与泵浦光之间的夹角需要精确的保持在45°，角度的偏差也会导致测量磁场存在偏差。传统磁力仪中存在两个死区，无法对光路平行的极区和与光垂直的赤道区进行磁场探测。因此，传统磁力仪测量磁场不准确，测量精度偏低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种磁力仪以及磁力仪检测方法。

本申请提供一种磁力仪。所述磁力仪包括激光模块、分束模块、线偏振模块、声光调制模块、衍射光选择模块、圆偏振模块、原子气室、光电探测模块、信号发生模块、锁相放大模块以及控制模块。所述激光模块用于发射第一激光光束。所述分束模块设置于所述第一激光光束的光路上，用于对所述第一激光光束进行分束，形成第二激光光束。所述线偏振模块设置于所述第二激光光束的光路上，用于将所述第二激光光束转换成光强可调线偏振光光束。所述声光调制模块设置于所述光强可调线偏振光光束的光路上，用于对所述光强可调线偏振光光束进行调制，形成衍射光。所述衍射光选择模块设置于所述衍射光的光路上，用于对所述衍射光进行选择，形成1级衍射光。所述圆偏振模块设置于所述1级衍射光的光路上，用于将所述1级衍射光转换成圆偏振光。所述原子气室设置于所述圆偏振光的光路上，所述圆偏振光经所述原子气室后出射探测光。所述光电探测模块设置于所述探测光的光路上，用于将所述探测光转换成探测电信号。所述信号发生模块的输出端与所述声光调制模块的控制端连接，用于输出电压调制信号对所述声光调制模块进行控制。所述锁相放大模块的输入端分别与所述光电探测模块的输出端与所述信号发生模块的输出端连接，用于接收所述探测电信号与所述电压调制信号，并根据所述电压调制信号对所述探测电信号进行解调获得鉴频信号。所述控制模块的输入端与所述锁相放大模块的输出端连接，所述控制模块的输出端与所述信号发生模块的控制端连接，用于根据所述鉴频信号控制所述信号发生模块输出所述电压调制信号。

在一个实施例中，所述分束模块对所述第一激光光束进行分束，形成第三激光光束，所述磁力仪还包括波长锁定模块。所述波长锁定模块设置于所述第三激光光束的光路上。且所述波长锁定模块的输出端与所述激光模块连接，用于根据所述第三激光光束锁定所述激光模块的波长。

在一个实施例中，所述信号发生模块包括第一信号发生器与第二信号发生器。所述第一信号发生器用于产生锯齿波信号。所述第二信号发生器的输入端与所述第一信号发生器的输出端连接，用于产生方波信号。所述方波信号为所述电压调制信号。

在一个实施例中，所述线偏振模块包括第一半波片与第一偏振分光棱镜。所述第一半波片设置于所述第二激光光束的光路上。所述第一偏振分光棱镜设置于经所述第一半波片后的所述第二激光光束的光路上，用于将所述第二激光光束转换成所述光强可调线偏振光光束。

在一个实施例中，所述圆偏振模块包括第二半波片与四分之一波片。所述第二半波片设置于所述1级衍射光的光路上。所述四分之一波片设置于经所述第二半波片后的所述1级衍射光的光路上，用于将所述1级衍射光转换成所述圆偏振光。

在一个实施例中，所述磁力仪还包括磁屏蔽模块。所述磁屏蔽模块包围形成第一容纳空间。所述原子气室设置于所述第一容纳空间内，用于屏蔽环境磁场噪声。

在一个实施例中，所述磁力仪还包括三维磁场线圈。所述三维磁场线圈设置于所述第一容纳空间内。所述三维磁场线圈包围形成第二容纳空间。所述原子气室设置于所述第二容纳空间内，用于产生偏置磁场，并对所述第一容纳空间内的剩余磁场进行补偿。

在一个实施例中，所述磁力仪还包括加热装置。所述加热装置设置于所述原子气室的外表面，用于对所述原子气室加热，并产生大小相等方向相反的磁场。

在一个实施例中，所述磁力仪还包括第一光纤耦合器。所述第一光纤耦合器的输入端与所述激光模块的输出端连接。所述分束模块设置于经所述第一光纤耦合器后的所述第一激光光束的光路上。

在一个实施例中，本申请提供一种磁力仪检测方法，采用上述实施例中任一所述的磁力仪进行检测。

上述磁力仪，所述声光调制模块受到所述信号发生模块输出的所述电压调制信号的调制，可以将所述第二激光光束转变成具有特定频率的方波。所述第二激光光束为泵浦光。所述第二激光光束的波形由所述信号发生模块输出的所述电压调制信号的波形决定。所述衍射光包括0级衍射光和1级衍射光。所述衍射光选择模块用于对所述衍射光进行选择，使得所述1级衍射光入射至所述圆偏振模块。

所述原子气室可以用作磁探头，感应外界磁场的变化。经所述原子气室后的所述探测光进入到所述光电探测模块中。所述探测光被所述光电探测模块探测，并将光信号转换成电信号，形成所述探测电信号。所述探测电信号与所述电压调制信号进入所述锁相放大模块。所述锁相放大模块以所述电压调制信号为参考信号，对所述探测电信号进行解调，获得共振峰曲线。通过对所述共振峰曲线进行微分获得所述鉴频信号。所述鉴频信号为鉴频曲线。所述鉴频信号输出至所述控制模块。所述控制模块设定所述鉴频信号的锁定点。所述鉴频信号的锁定点输出至所述信号发生模块形成闭环***。也可以理解为，当所述原子气室所在位置的磁场发生变化时，共振峰曲线的共振峰的峰值发生偏移，共振峰的峰值对应的鉴频信号(也可以理解为鉴频曲线)的电压发生变化，偏离0电压值。通过所述控制模块获得电压补偿值进行自适应补偿，并将电压补偿值输出至所述信号发生模块，对所述电压调制信号进行调制，从而使得经所述声光调制模块调制后的泵浦光的调制频率锁定在所述原子气室所处位置的磁场的拉莫尔进动频率。

所述控制模块连接所述信号发生模块，可进一步调节所述声光调制模块的调制频率，提高了所述磁力仪的磁灵敏度。所述磁力仪不包括射频线圈，进而不会引入射频线圈导致的串扰问题。

通过所述磁力仪的***结构，所述磁力仪仅存在泵浦光方向的一个死区无法对磁场进行检测。所述磁力仪减少了测量死区的个数。并且，所述磁力仪采用频率(FM)调制Bell-Bloom型结构，不仅提高了磁灵敏度，而且可实现小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中提供的磁力仪的结构示意图。

图2为一实施例中提供的波长锁定模块的结构示意图。

图3为一实施例中提供的加热装置的结构示意图。

图4为一实施例中提供的光电探测模块接收的探测电信号的示意图。

图5为一实施例中提供的共振曲线与鉴频曲线的示意图。

图6为一实施例中提供的磁场测试曲线的示意图。

图7为一实施例中提供的噪声谱曲线的示意图。

附图标记说明：

磁力仪100、激光模块10、第一光纤耦合器110、分束模块120、线偏振模块210、声光调制模块230、衍射光选择模块310、圆偏振模块340、原子气室40、光电探测模块410、信号发生模块530、锁相放大模块510、控制模块520、波长锁定模块130、第一信号发生器531、第二信号发生器532、第一半波片211、第一偏振分光棱镜212、第二半波片341、第二光纤耦合器3421、第三光纤耦合器3422、四分之一波片343、磁屏蔽模块420、三维磁场线圈430、加热装置440、加热丝441、波长锁定模块130、第三半波片131、第二偏振分光棱镜132、第四半波片133、第三偏振分光棱镜134、波长锁定原子气室135、全反射镜1311、第一介质反射镜138、第五半波片137、第二介质反射镜136、波长锁定光电探测器139、第一衍射光全反镜320、第二衍射光全反镜330、控制电源610、磁通门显示仪620、电脑630。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

请参见图1，本申请提供一种磁力仪100。所述磁力仪100包括激光模块10、分束模块120、线偏振模块210、声光调制模块230、衍射光选择模块310、圆偏振模块340、原子气室40、光电探测模块410、信号发生模块530、锁相放大模块510以及控制模块520。所述激光模块10用于发射第一激光光束。

所述分束模块120设置于所述第一激光光束的光路上，用于对所述第一激光光束进行分束，形成第二激光光束。所述线偏振模块210设置于所述第二激光光束的光路上，用于将所述第二激光光束转换成光强可调线偏振光光束。所述声光调制模块230设置于所述光强可调线偏振光光束的光路上，用于对所述光强可调线偏振光光束进行调制，形成衍射光。所述衍射光选择模块310设置于所述衍射光的光路上，用于对所述衍射光进行选择，形成1级衍射光。

所述圆偏振模块340设置于所述1级衍射光的光路上，用于将所述1级衍射光转换成圆偏振光。所述原子气室40设置于所述圆偏振光的光路上，所述圆偏振光经所述原子气室40后出射探测光。所述光电探测模块410设置于所述探测光的光路上，用于将所述探测光转换成探测电信号。

所述信号发生模块530的输出端与所述声光调制模块230的控制端连接，用于输出电压调制信号对所述声光调制模块230进行控制。所述锁相放大模块510的输入端分别与所述光电探测模块410的输出端与所述信号发生模块530的输出端连接，用于接收所述探测电信号与所述电压调制信号，并根据所述电压调制信号对所述探测电信号进行解调获得鉴频信号。所述控制模块520的输入端与所述锁相放大模块510的输出端连接，所述控制模块520的输出端与所述信号发生模块530的控制端连接，用于根据所述鉴频信号控制所述信号发生模块530输出所述电压调制信号。

所述声光调制模块230受到所述信号发生模块530输出的所述电压调制信号的调制，可以将所述第二激光光束转变成具有特定频率的方波。所述第二激光光束为泵浦光。所述第二激光光束的波形由所述信号发生模块530输出的所述电压调制信号的波形决定。所述衍射光包括0级衍射光和1级衍射光。所述衍射光选择模块310用于对所述衍射光进行选择，使得所述1级衍射光入射至所述圆偏振模块340。

所述原子气室40可以用作磁探头，感应外界磁场的变化。经所述原子气室40后的所述探测光进入到所述光电探测模块410中。所述探测光被所述光电探测模块410探测，并将光信号转换成电信号，形成所述探测电信号。所述探测电信号与所述电压调制信号进入所述锁相放大模块510。所述锁相放大模块510以所述电压调制信号为参考信号，对所述探测电信号进行解调，获得共振峰曲线。通过对所述共振峰曲线进行微分获得所述鉴频信号。所述鉴频信号为鉴频曲线。所述鉴频信号输出至所述控制模块520。所述控制模块520设定所述鉴频信号的锁定点。所述鉴频信号的锁定点输出至所述信号发生模块530形成闭环***。

也可以理解为，当所述原子气室40所在位置的磁场发生变化时，共振峰曲线的共振峰的峰值发生偏移，共振峰的峰值对应的鉴频信号(也可以理解为鉴频曲线)的电压发生变化，偏离0电压值。通过所述控制模块520获得电压补偿值进行自适应补偿，并将电压补偿值输出至所述信号发生模块530，对所述电压调制信号进行调制，从而使得经所述声光调制模块230调制后的泵浦光的调制频率锁定在所述原子气室40所处位置的磁场的拉莫尔进动频率。

所述磁力仪100通过所述声光调制模块230实现泵浦光的调制。当泵浦光的调制频率等于拉莫尔进动频率时，产生共振。所述原子气室40中的碱金属Rb原子吸收光子的角动量，从基态跃迁到激发态，进而实现原子的极化。当非泵浦光方向存在磁场时，极化的原子在自旋磁矩的作用下绕外磁场发生进动，进动的频率为拉莫尔进动频率。当泵浦光的调制频率和拉莫尔进动频率成一定关系时，会产生共振现象。满足的关系为：

ω_L＝mω_mod

其中，m＝0,1,2…，ω_L为拉莫尔进动频率，ω_mod为泵浦光的调制频率。当调制频率为1/2ω_L、1/3ω_L、1/4ω_L时，仍然会出现共振峰。通过获取共振频率即可计算出磁场大小。所述控制模块520连接所述信号发生模块530，可进一步调节所述声光调制模块230的调制频率，提高了所述磁力仪100的磁灵敏度。所述磁力仪100不包括射频线圈，进而不会引入射频线圈导致的串扰问题。

通过所述磁力仪100的***结构，所述磁力仪100仅存在泵浦光方向的一个死区，无法对磁场进行检测。所述磁力仪100减少了测量死区的个数。并且，所述磁力仪100采用频率(FM)调制Bell-Bloom型结构，不仅提高了磁灵敏度，而且可实现小型化。

在一个实施例中，所述激光模块10为795nm的分布式反馈(DBF)激光器，用于产生795nm左右的激光，即所述第一激光光束。所述第一激光光束的波长位于Rb的D1线，可用于实现Rb原子的极化。所述第一激光光束可以同时作为泵浦光和检测光。泵浦光和检测光作为同一束光。所述磁力仪100形成了单光束的构型。

在一个实施例中，所述磁力仪100还包括第一光纤耦合器110。所述第一光纤耦合器110的输入端与所述激光模块10的输出端连接。所述分束模块120设置于经所述第一光纤耦合器110后的所述第一激光光束的光路上。所述第一光纤耦合器110用于将光纤转换成空间光。

在一个实施例中，所述分束模块120可以包括玻璃片，用于将空间光分成两束光，即所述第二激光光束与所述第三激光光束。所述第二激光光束为所述第一激光光束的90％的光，用于AOM调制。所述第三激光光束为所述第一激光光束的5％的光，用于搭建所述波长锁定模块130。

在一个实施例中，所述线偏振模块210包括第一半波片211与第一偏振分光棱镜212。所述第一半波片211设置于所述第二激光光束的光路上。所述第一偏振分光棱镜212设置于经所述第一半波片211后的所述第二激光光束的光路上，用于将所述第二激光光束转换成所述光强可调线偏振光光束。

所述第一半波片211为1/2波片。所述第一偏振分光棱镜212与所述第一半波片211组合构成了光强配比器，可以改变进入所述声光调制模块230的光强。通过调节所述第一半波片211，可以改变光的线偏振态，且也可以改变光强。

在一个实施例中，所述声光调制模块230可以为AOM声光调制器。

在一个实施例中，所述分束模块120对所述第一激光光束进行分束，形成第三激光光束，所述磁力仪100还包括波长锁定模块130。所述波长锁定模块130设置于所述第三激光光束的光路上。且所述波长锁定模块130的输出端与所述激光模块10连接，用于根据所述第三激光光束锁定所述激光模块10的波长。

所述波长锁定模块130用于锁定所述激光模块10的波长，可以将所述激光模块10准确的锁定在795nm附近，也就是位于Rb的D1线，可用于实现Rb原子的极化。

请参见图2，在一个实施例中，所述波长锁定模块130包括第三半波片131、第二偏振分光棱镜132、第四半波片133、第三偏振分光棱镜134、波长锁定原子气室135、全反射镜1311、第一介质反射镜138、第五半波片137、第二介质反射镜136以及波长锁定光电探测器139。所述第一介质反射镜138与所述第二介质反射镜136为45°介质反射镜。

所述波长锁定模块130设置于所述第三激光光束的光路上。所述第三激光光束入射至所述第三半波片131。所述第三半波片131与所述第二偏振分光棱镜132组成了光强配比器。所述第四半波片133用于调节经所述第二偏振分光棱镜132后的所述第三激光光束的线偏振态。经所述第四半波片133后的所述第三激光光束入射至所述第三偏振分光棱镜134，并经所述第三偏振分光棱镜134将所述第三激光光束分成两束。一束依次经过所述第二介质反射镜136、所述第五半波片137、所述第一介质反射镜138和所述全反射镜1311反向后进入到所述波长锁定原子气室135作为泵浦光。所述第二介质反射镜136、所述第一介质反射镜138和所述全反射镜1311的作用是为了改变光的方向。所述第五半波片137用于调节光束的线偏振态。另一束依次经过所述波长锁定原子气室135作为检测光进入所述波长锁定光电探测器139。经过所述波长锁定光电探测器139进行光电转换，将电信号反馈给激光器，用于锁定激光器的波长。

在一个实施例中，所述信号发生模块530包括第一信号发生器531与第二信号发生器532。所述第一信号发生器531用于产生锯齿波信号。所述第二信号发生器532的输入端与所述第一信号发生器531的输出端连接，用于产生方波信号。所述方波信号为所述电压调制信号。

所述第一信号发生器531用于产生锯齿波信号，峰值为5V，从0-5V扫描所需时间为10s。锯齿波信号传输至所述第二信号发生器532的输入端，控制所述第二信号发生器532产生一定频率范围扫描的方波信号。方波信号占空比为50％，扫描范围为5KHz至135KHz，低电平为0V，高电平为5V，扫描时间为10s。所述方波信号作为所述电压调制信号输入到所述声光调制模块230。在所述声光调制模块230的控制下，泵浦光被调制，形成所述衍射光。经过所述衍射光选择模块310筛选，转换成所述1级衍射光。

在一个实施例中，所述衍射光选择模块310为0级衍射光吸收元件，用于对0级衍射光进行吸收遮挡，筛选出所述1级衍射光。

在一个实施例中，所述圆偏振模块340包括第二半波片341与四分之一波片343。所述第二半波片341设置于所述1级衍射光的光路上。所述四分之一波片343设置于经所述第二半波片341后的所述1级衍射光的光路上，用于将所述1级衍射光转换成所述圆偏振光。

所述第二半波片341为1/2波片，用于将所述1级衍射光调节为线偏振光。所述第二半波片341与所述四分之一波片343之间设置有第二光纤耦合器3421和第三光纤耦合器3422。通过所述第二光纤耦合器3421将空间光转接到光纤。所述第三光纤耦合器3422与所述第二光纤耦合器3421通过光纤连接，用于将光纤中的光转化为空间光。空间光经过所述四分之一波片343变成所述圆偏振光。所述圆偏振光进入到所述原子气室40中。

所述第二光纤耦合器3421与所述第三光纤耦合器3422的耦合效率为80％。耦合后的所述线偏振光的光强大约为200μW。

在一个实施例中，所述磁力仪100还包括第一衍射光全反镜320与第二衍射光全反镜330。所述第一衍射光全反镜320设置于所述1级衍射光的光路上，用于改变光路传输方向。所述第二衍射光全反镜330设置于经所述第一衍射光全反镜320后的所述1级衍射光的光路上，用于改变光路传输方向。经所述第二衍射光全反镜330后的所述1级衍射光入射至所述第二半波片341。通过所述第一衍射光全反镜320与所述第二衍射光全反镜330，可以改变光路的传输方向，有利于所述磁力仪100微型化。

在一个实施例中，所述磁力仪100还包括磁屏蔽模块420。所述磁屏蔽模块420包围形成第一容纳空间。所述原子气室40设置于所述第一容纳空间内，用于屏蔽环境磁场噪声。所述磁屏蔽模块420用于屏蔽环境磁场噪声，保证屏蔽桶内磁场在1nT以下。所述磁屏蔽模块420包括5层坡莫合金筒，可以确保所述磁屏蔽模块420的内部的剩余磁场在1nT以下。

在一个实施例中，所述磁力仪100还包括三维磁场线圈430。所述三维磁场线圈430设置于所述第一容纳空间内。所述三维磁场线圈430包围形成第二容纳空间。所述原子气室40设置于所述第二容纳空间内，用于产生偏置磁场，并对所述第一容纳空间内的剩余磁场进行补偿。所述三维磁场线圈430用于产生偏置磁场，同时补偿所述磁屏蔽模块420内的剩余磁场。所述三维磁场线圈430为三维亥姆霍兹补偿线圈，补偿精度为1nT。所述三维磁场线圈430不仅可以补偿所述磁屏蔽模块420内部的剩余磁场，还可以产生外加的偏置磁场模拟外部的地磁环境。

在一个实施例中，所述磁力仪100还包括控制电源610、磁通门显示仪620以及电脑630。所述三维磁场线圈430、所述控制电源610、所述磁通门显示仪620形成闭环，可以实现磁场的设定和扫描等功能。所述电脑630用于接收磁场数据。

请参见图3，在一个实施例中，所述磁力仪100还包括加热装置440。所述加热装置440设置于所述原子气室40的外表面，用于对所述原子气室40加热，并产生大小相等方向相反的磁场。

所述圆偏振光作为泵浦光进入到所述原子气室40中。所述加热装置440采用聚酰亚胺和无磁的镍铬材料制备，加热频率为500KHz。所述加热装置440将所述原子气室40加热到100℃。经过所述原子气室40的所述泵浦光被所述光电探测模块410探测。所述光电探测模块410可以为光电探测器。

所述加热装置440包括两个对绕的加热丝441。两个加热丝441通入电流后，会形成往返的驱动电流，进而产生大小相等方向相反的磁场。因此，通过两个对绕的加热丝441可以实现磁场的相互抵消。

在一个实施例中，两个对绕的加热丝441之间的距离在μm量级，可以更好地进行磁场抵消。在制备时，采用柔性电路板工艺，将加热丝441放置于柔性基底上均匀对绕。柔性基底采用聚酰亚胺材料。加热丝441采用无磁的镍铬材料。

在一个实施例中，两个对绕的加热丝441的电阻设置较大，可以使得通过加热丝441的电流较小，进而产生的剩余磁场也会较小。

在一个实施例中，所述加热装置440采用高频加热的方式进行加热。高频加热时，驱动电流的频率设置为500KHz，可以避免直流加热引起的剩磁。

在一个实施例中，模拟外部地磁环境的磁场方向为垂直于泵浦光的方向，也就是垂直于所述圆偏振光的方向。模拟外部地磁环境的磁场大小为10000nT。根据表达式ω_L＝γB，其中，ω_L为拉莫尔进动频率，γ为R_b的旋磁比，数值为7，B为气室感受到的磁场大小。当外部磁场设置为10000nT时，对应的拉莫尔进动频率为70KHz，即当泵浦光的调制频率在70KHz附近时会出现明显的共振信号。在包含所述电压调制信号的条件下观察到所述光电探测模块410接收的共振信号如图4所示。

在一个实施例中，所述磁力仪100包括无磁的pt1000的温度传感器，用于测量所述原子气室40的温度。所述信号发生模块530输出的所述电压调制信号衰减一定数值后输入到所述锁相放大模块510的输入端，对所述探测电信号进行解调，获得共振峰曲线。

当采用有磁温度传感器测量所述原子气室40的温度时，温度传感器自身存在一定的剩磁，会使得解调之后共振峰的位置相比70KHz有一定的偏移。采用无磁的pt1000的温度传感器替换有磁温度传感器时，剩余磁场会被消除，主共振峰的线宽为6.88KHz，对应的磁场线宽为983nT。

除了主共振峰以外，还会存在谐波分量引起的共振峰，分别对应1/2ω_L、1/3ω_L、1/4ω_L等位置。

在一个实施例中，所述锁相放大模块510的输入端分别与所述光电探测模块410的输出端与所述信号发生模块530的输出端连接，用于接收所述探测电信号与所述电压调制信号。所述电压调制信号作为参考信号，传输至所述锁相放大模块510，且所述探测电信号也传输至所述锁相放大模块510。所述锁相放大模块510可以为锁相放大器，调节所述探测电信号和所述电压调制信号的相位，可解调出相应的鉴频曲线，如图5所示。

图5中，实线为解调出的鉴频信号(也可以理解为鉴频曲线)，虚线为共振曲线。鉴频信号包括了中部位置处的线性线段。在线性区域中，线性线段的中心点对应于鉴频曲线电压的0电压值。同时，线性线段的中心点也对应共振曲线的共振峰。因此，鉴频曲线的线性线段的中心点(对应电压值为0)为共振曲线的共振峰的峰值。通过检测共振曲线的共振峰的峰值对应的频率值即可得到相应的磁场值。

在一个实施例中，所述鉴频曲线输出至所述控制模块520。所述控制模块520可以为PID控制电路。设置PID控制电路的参数，并将所述第一信号发生器531断开。通过PID控制电路设置所述第二信号发生器532的工作点。所述PID控制电路输出信号接入所述第二信号发生器532的控制端，用于控制所述电压调制信号的调制频率的大小，并锁定在鉴频曲线对应的0电压值对应的频率值。

也可以理解为，当所述原子气室40所在位置的磁场发生变化时，共振峰曲线的共振峰的峰值发生偏移，共振峰的峰值对应的鉴频信号(也可以理解为鉴频曲线)的电压发生变化，偏离0电压值。通过所述控制模块520获得电压补偿值进行自适应补偿，并将电压补偿值输出至所述第二信号发生器532，对所述电压调制信号进行调制，从而使得经所述声光调制模块230调制后的泵浦光的调制频率锁定在所述原子气室40所处位置的磁场的拉莫尔进动频率。

所述磁力仪100通过所述第二信号发生器532、所述锁相放大模块510、所述控制模块520形成了闭环回路。通过闭环回路可将频率锁定在共振峰。当外界磁场发生变化时，所述磁力仪100同步检测出共振峰对应的频率值，并根据频率值达到检测磁场的目的。

当所述第二信号发生器532、所述锁相放大模块510、所述控制模块520形成了闭环回路。通过改变所述三维磁场线圈430施加磁场的大小观察频率改变情况。请参见图6，图6为磁场测试曲线。根据图6可获知变化1nT磁场后对应的输出情况。由此可以看出，所述磁力仪100对1nT乃至1nT以下的磁场是可以明显感应到的。

通过图6中频率随时间变化的曲线可进一步计算出所述磁力仪100的噪声谱，如图7所示曲线图。图7所示噪声谱显示，所述磁力仪100在1Hz左右噪声为8.54pT/Hz^1/2。

在一个实施例中，所述磁力仪100可以用于测量人体的心磁信号。

在一个实施例中，本申请提供一种磁力仪检测方法，采用上述实施例中任一所述的磁力仪100进行检测。采用所述磁力仪100进行检测时，可以应用于矿产勘查、石油、天然气勘查、管线探测、火山观测等领域。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种磁力仪，其特征在于，包括：

激光模块(10)，用于发射第一激光光束；

分束模块(120)，设置于所述第一激光光束的光路上，用于对所述第一激光光束进行分束，形成第二激光光束；

线偏振模块(210)，设置于所述第二激光光束的光路上，用于将所述第二激光光束转换成光强可调线偏振光光束；

声光调制模块(230)，设置于所述光强可调线偏振光光束的光路上，用于对所述光强可调线偏振光光束进行调制，形成衍射光；

衍射光选择模块(310)，设置于所述衍射光的光路上，用于对所述衍射光进行选择，形成1级衍射光；

圆偏振模块(340)，设置于所述1级衍射光的光路上，用于将所述1级衍射光转换成圆偏振光；

原子气室(40)，设置于所述圆偏振光的光路上，所述圆偏振光经所述原子气室(40)后出射探测光；

光电探测模块(410)，设置于所述探测光的光路上，用于将所述探测光转换成探测电信号；

信号发生模块(530)，所述信号发生模块(530)的输出端与所述声光调制模块(230)的控制端连接，用于输出电压调制信号对所述声光调制模块(230)进行控制；

锁相放大模块(510)，所述锁相放大模块(510)的输入端分别与所述光电探测模块(410)的输出端与所述信号发生模块(530)的输出端连接，用于接收所述探测电信号与所述电压调制信号，并根据所述电压调制信号对所述探测电信号进行解调获得鉴频信号；

控制模块(520)，所述控制模块(520)的输入端与所述锁相放大模块(510)的输出端连接，所述控制模块(520)的输出端与所述信号发生模块(530)的控制端连接，用于根据所述鉴频信号控制所述信号发生模块(530)输出所述电压调制信号。

2.根据权利要求1所述的磁力仪，其特征在于，所述分束模块(120)对所述第一激光光束进行分束，形成第三激光光束，所述磁力仪还包括：

波长锁定模块(130)，设置于所述第三激光光束的光路上，且所述波长锁定模块(130)的输出端与所述激光模块(10)连接，用于根据所述第三激光光束锁定所述激光模块(10)的波长。

3.根据权利要求1所述的磁力仪，其特征在于，所述信号发生模块(530)包括：

第一信号发生器(531)，用于产生锯齿波信号；

第二信号发生器(532)，所述第二信号发生器(532)的输入端与所述第一信号发生器(531)的输出端连接，用于产生方波信号；

所述方波信号为所述电压调制信号。

4.根据权利要求1所述的磁力仪，其特征在于，所述线偏振模块(210)包括：

第一半波片(211)，设置于所述第二激光光束的光路上；

第一偏振分光棱镜(212)，设置于经所述第一半波片(211)后的所述第二激光光束的光路上，用于将所述第二激光光束转换成所述光强可调线偏振光光束。

5.根据权利要求1所述的磁力仪，其特征在于，所述圆偏振模块(340)包括：

第二半波片(341)，设置于所述1级衍射光的光路上；

四分之一波片(343)，设置于经所述第二半波片(341)后的所述1级衍射光的光路上，用于将所述1级衍射光转换成所述圆偏振光。

6.根据权利要求1所述的磁力仪，其特征在于，还包括：

磁屏蔽模块(420)，包围形成第一容纳空间，所述原子气室(40)设置于所述第一容纳空间内，用于屏蔽环境磁场噪声。

7.根据权利要求6所述的磁力仪，其特征在于，还包括：

三维磁场线圈(430)，设置于所述第一容纳空间内，所述三维磁场线圈(430)包围形成第二容纳空间，所述原子气室(40)设置于所述第二容纳空间内，用于产生偏置磁场，并对所述第一容纳空间内的剩余磁场进行补偿。

8.根据权利要求1所述的磁力仪，其特征在于，还包括：

加热装置(440)，设置于所述原子气室(40)的外表面，用于对所述原子气室(40)加热，并产生大小相等方向相反的磁场。

9.根据权利要求1所述的磁力仪，其特征在于，还包括：

第一光纤耦合器(110)，所述第一光纤耦合器(110)的输入端与所述激光模块(10)的输出端连接；

所述分束模块(120)设置于经所述第一光纤耦合器(110)后的所述第一激光光束的光路上。

10.一种磁力仪检测方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的磁力仪进行检测。

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