CN116224180A - 一种基于磁场闭环的椭偏光serf原子磁强计装置及方法 - Google Patents

一种基于磁场闭环的椭偏光serf原子磁强计装置及方法 Download PDF

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CN116224180A CN202310254076.6A CN202310254076A CN116224180A CN 116224180 A CN116224180 A CN 116224180A CN 202310254076 A CN202310254076 A CN 202310254076A CN 116224180 A CN116224180 A CN 116224180A
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闫一凡
陆吉玺
刘泽华
王锟
刘子傲
李晓昱
全伟
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Abstract

本发明提出一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法，为椭偏光SERF原子磁强计提供了一种可行的闭环方案，从而将椭偏光SERF原子磁强计中碱金属原子感受到的磁场锁定在零场，显著增加了磁场测量的动态范围和带宽，同时提高了磁场测量的稳定性。本发明将零阶共振信号的一次谐波分量与二次谐波分量作商得到的无量纲的运算信号作为闭环反馈***的输入信号，削弱了抽运激光的椭圆度、光功率密度、光频率波动，原子气室温度波动等因素对闭环反馈***的输入信号的干扰，提高了闭环的准确性和鲁棒性。

Description

一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于磁场闭环的椭偏光SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计装置及方法，属于原子磁强计技术领域。
背景技术
SERF原子磁强计是一种用于测量极弱磁场的超高灵敏量子精密测量仪器，近年来在前沿物理学研究、生物磁学测量等领域已被广泛应用。椭偏光SERF原子磁强计使用一束椭圆偏振光抽运碱金属原子，同时利用偏振差分检测技术探测旋光角，具有体积小、灵敏度高的优势。然而，目前的椭偏光SERF原子磁强计工作在开环状态，直接通过其输出的零阶共振信号的一次谐波分量测量z方向的待测磁场，不仅限制了原子磁强计的动态范围和带宽，还易受到原子气室温度、激光参数等波动带来的干扰，导致磁场测量信号发生漂移，限制了椭偏光SERF原子磁强计的测量效果。
发明内容
本发明提出一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法，为椭偏光SERF原子磁强计提供一种可行的闭环方案，将椭偏光SERF原子磁强计中的敏感介质—碱金属原子自旋系综感受到的磁场实时锁定在零场，从而显著提高其动态范围和带宽。将原子磁强计输出的零阶共振信号的一次谐波分量与二次谐波分量信号运算后输入到闭环反馈***，削弱了抽运激光的椭圆度、光功率密度、光频率、原子气室温度等因素波动对闭环反馈***的输入信号的干扰，提高闭环稳定性，进而提高磁场测量的稳定性和准确性。
本发明的技术方案如下：
一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，其特征在于，包括位于原子磁强计表头外壳内的三轴磁场线圈和偏振差分检测模块，所述偏振差分检测模块的激光输入端连接所述三轴磁场线圈内原子气室的激光出射端，所述原子气室的激光入射端依次通过椭圆偏振器和保偏光纤连接窄线宽半导体激光器，所述偏振差分检测模块的输出端依次通过锁相放大器、除法电路、减法电路、PID模块和z轴函数发生器连接所述三轴磁场线圈，所述三轴磁场线圈连接xy轴函数发生器，所述z轴函数发生器输出直流电压驱动所述三轴磁场线圈在z方向产生磁场，所述xy轴函数发生器输出直流电压驱动所述三轴磁场线圈在x方向和y方向产生磁场。
所述偏振差分检测模块包括侧向位移偏振分光棱镜，所述侧向位移偏振分光棱镜的输入端通过二分之一波片连接原子气室的激光出射端，所述侧向位移偏振分光棱镜的输出端依次通过光电探测器和差分放大电路连接所述锁相放大器。
所述椭圆偏振器包括线偏振片和四分之一波片，两者光轴方向夹角为α，所述窄线宽半导体激光器出射的线偏振光的偏振方向和线偏振片光轴方向重合，线偏振光源经过椭圆偏振器转换为椭圆度为α的椭圆偏振光，该椭圆偏振光是椭偏光SERF原子磁强计的抽运激光。
所述原子气室和所述三轴磁场线圈之间设置有烤箱，所述锁相放大器分别向所述除法电路输入一次谐波分量和二次谐波分量，所述减法电路将来自除法电路的无量纲运算信号与设定值做差，所得差值作为误差信号输入到PID(Proportional IntegralDerivative，比例、积分、微分)模块，所述无量纲运算信号为一次谐波分量除以二次谐波分量所得的商，一次谐波分量和二次谐波分量均为椭偏光SERF原子磁强计零阶共振信号中的谐波分量。
所述z轴函数发生器输出反馈控制信号，所述反馈控制信号与所述三轴磁场线圈的z方向的线圈常数运算得到原子磁强计的输出信号，即z轴正向的待测磁场。
Figure BDA0004128890460000021
其中θw是一次谐波分量，θ2w是二次谐波分量，K为放大系数，I0为抽运光功率密度，OD(v)为光学深度，n为原子数密度，c为光速，r为经典电子半径，f为碱金属原子D1线共振强度，l为原子气室长度，v0为碱金属原子D1线共振频率，v为激光的频率，Г为原子气室压力展宽，Rop为抽运率，Rrel为横向原子自旋弛豫率，s为抽运光的自旋角动量，γe是电子的旋磁比，J0和J1和J2分别为0阶、1阶、2阶贝塞尔函数，u为磁场调制系数，B0是z轴正向的待测磁场。
Figure BDA0004128890460000022
其中Sinput是无量纲运算信号,Sctrl是反馈控制信号，Rop为抽运率，Rrel为横向弛豫率，J1和J2分别为1阶、2阶贝塞尔函数，u为磁场调制参数，B0是z轴正向的待测磁场，Kz为所述三轴磁场线圈的z方向的线圈常数，R为三轴磁场线圈z方向的电阻。
一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计使用方法，其特征在于，包括采用上述基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，和以下步骤：
步骤1，调节窄线宽半导体激光器出射激光的频率偏离碱金属原子D1线共振频率，且偏振态为线偏振，将该激光作为光源耦合到保偏光纤中，经过保偏光纤出射的线偏振光透过椭圆偏振器转换为椭圆度为α的椭圆偏振光，将该光作为抽运激光照射原子气室；
步骤2，控制xy轴函数发生器和z轴函数发生器，利用三维磁补偿技术将原子气室感受到的磁场归零，同时控制z轴函数发生器在z方向施加高频调制磁场，其频率为wm；
步骤3，将偏振差分检测模块输出的差分放大信号引入锁相放大器，在锁相放大器中使用锁相放大技术分别以一倍频wm、二倍频2wm频率对差分放大信号进行解调，得到一次谐波分量θw，二次谐波分量θ2w；
步骤4，θw和θ2w经过除法电路得到无量纲运算信号Sinput，将Sinput接入减法电路，使Sinput与设定值0做差，所得差值作为误差信号输入到PID模块，PID模块的输出信号控制z轴函数发生器产生反馈控制信号Sctrl；
步骤5，Sctrl作用于三轴磁场线圈的z方向，使线圈产生的磁场与z轴正向的待测磁场B0大小相等且方向相反，从而将椭偏光SERF原子磁强计的感受到的磁场实时锁定在零场。
所述步骤2中的三维磁补偿技术是通过控制原子气室周围的三轴磁场线圈，使其产生与环境磁场大小相同、方向相反的磁场，从而实现原子气室感受到的环境磁场归零的技术。
本发明的技术效果如下：本发明一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法，为椭偏光SERF原子磁强计提供了一种可行的闭环方案，将椭偏光SERF原子磁强计中碱金属原子感受到的磁场锁定在零场，显著增加了其的动态范围和带宽的同时提高了磁场测量的稳定性。本发明将零阶共振信号的一次谐波分量与二次谐波分量作商得到的无量纲的运算信号作为闭环反馈***的输入信号，削弱了抽运激光的椭圆度、光功率密度、光频率，原子气室温度波动等因素对闭环反馈***的干扰，提高了闭环的准确性和鲁棒性。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)常规的椭偏光SERF原子磁强计工作在开环状态下，导致原子磁强计的测量带宽和动态范围小，测量信号波动大、容易受到干扰；本发明提供了一种闭环方法，使得椭偏光SERF原子磁强计能够工作在闭环状态下，由于原子气室感受到的环境磁场被三轴磁场线圈实时补偿到零场，增加了椭偏光SERF原子磁强计的动态范围和带宽，同时由于使用了闭环控制方法，信号测量的稳定性得以提高；
(2)常规的椭偏光SERF原子磁强计使用零阶共振信号的一次谐波分量作为原子磁强计输出信号。直接使用一次谐波分量作为闭环反馈的输入信号，会导致反馈控制信号受到抽运激光的参数波动、原子气室温度波动等因素的干扰，引起原子气室感受到的环境磁场在零场附近波动，降低闭环效果。本方法使用一次谐波分量与二次谐波分量作商得到的无量纲的运算信号作为闭环反馈***的输入信号，使得两分量中与抽运激光及原子气室温度相关的项被约简，从而削弱了抽运激光的激光功率密度、频率、椭圆度波动、原子气室温度波动对反馈控制信号的影响，提高了闭环方法的准确性和鲁棒性。
(3)本发明不改变原有椭偏光SERF原子磁强计探头结构，通过提取二次谐波分量实现反馈控制信号的获得，保留了原有结构紧凑、灵敏度高的优势。
附图说明
图1是实施本发明一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置的结构示意图。SERF(Spin-Exchange Relaxation Free)是无自旋交换弛豫。
附图标记说明如下：1-窄线宽半导体激光器；2-xy轴函数发生器；3-保偏光纤；4-椭圆偏振器；5-原子气室；6-二分之一波片；7-侧向位移偏振分光棱镜；8-光电探测器；9-差分放大电路；10-烤箱；11-差分放大信号；12-三轴磁场线圈；13-原子磁强计表头外壳；14-锁相放大器；15-一次谐波分量；16-二次谐波分量；17-除法电路；18-减法电路；19-PID模块(PID，Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分)；20-z轴函数发生器；21-反馈控制信号；22-闭环反馈***；23-偏振差分检测模块。
具体实施方式
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置的结构示意图。参考图1所示，一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，包括位于原子磁强计表头外壳13内的三轴磁场线圈12和偏振差分检测模块23，所述偏振差分检测模块23的激光输入端连接所述三轴磁场线圈12内原子气室5的激光出射端，所述原子气室5的激光入射端依次通过椭圆偏振器4和保偏光纤3连接窄线宽半导体激光器1，所述偏振差分检测模块23的输出端依次通过锁相放大器14、除法电路17、减法电路18、PID模块19和z轴函数发生器20连接所述三轴磁场线圈12，所述三轴磁场线圈12连接xy轴函数发生器2，所述z轴函数发生器20用来控制三轴磁场线圈12补偿z方向的环境磁场到零，所述xy轴函数发生器2用来控制三轴磁场线圈12补偿x方向和y方向的环境磁场到零。
所述偏振差分检测模块23包括侧向位移偏振分光棱镜7，所述侧向位移偏振分光棱镜7的输入端通过二分之一波片6连接原子气室5的激光出射端，所述侧向位移偏振分光棱镜7的输出端依次通过光电探测器8和差分放大电路9连接所述锁相放大器14。所述窄线宽半导体激光器1出射的线偏振光光源通过保偏光纤3传输到所述椭圆偏振器4。所述椭圆偏振器4包括线偏振片和四分之一波片，两者光轴方向夹角为α，线偏振光光源的偏振方向和线偏振片光轴方向重合，线偏振光源经过椭圆偏振器4转换为椭圆度为α的椭圆偏振光，该椭圆偏振光是椭偏光SERF原子磁强计的抽运激光。
所述原子气室5和所述三轴磁场线圈12之间设置有烤箱10，所述锁相放大器14分别向所述除法电路17输入一次谐波分量15和二次谐波分量16，所述减法电路18将来自除法电路17的无量纲运算信号与设定值0做差，所得差值作为误差信号输入到PID模块19，所述无量纲运算信号为一次谐波分量15(a)除以二次谐波分量16(b)所得的商(a/b)，一次谐波分量15和二次谐波分量16均为椭偏光SERF原子磁强计零阶共振信号中的谐波分量。所述z轴函数发生器20输出反馈控制信号21，所述反馈控制信号21与所述三轴磁场线圈12的z方向的线圈常数运算得到原子磁强计输出信号，即z方向的磁场测量值。
Figure BDA0004128890460000051
Figure BDA0004128890460000052
本发明提供了一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法，使用一次谐波分量与二次谐波分量作商得到的无量纲的运算信号作为闭环反馈***的输入信号，控制三维磁场线圈使得原子气室感受到的环境磁场被实时补偿到零场，从而工作在闭环状态下。下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明，应理解这些实施示例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
参阅图1，本发明提供了一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法。如图1所示，一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法包含：窄线宽半导体激光器1、xy轴函数发生器2、保偏光纤3、椭圆偏振器4、原子气室5、二分之一波片6、侧向位移偏振分光棱镜7、光电探测器8、差分放大电路9、烤箱10、差分放大信号11、三轴磁场线圈12、原子磁强计表头外壳13、锁相放大器14、一次谐波分量15、二次谐波分量16、除法电路17、减法电路18、PID模块19、z轴函数发生器20、反馈控制信号21、闭环反馈***22、偏振差分检测模块23；
如图1所示，本发明具体实施步骤如下：
(1)调节窄线宽半导体激光器1出射线偏振激光的频率偏离碱金属原子D1线共振频率50GHz，将该激光作为光源耦合到保偏光纤3中，经过保偏光纤3出射的线偏振光透过椭圆偏振器4转换为椭圆度为22.5°的椭圆偏振光，将该光作为抽运激光照射原子气室5；
(2)完成步骤(1)后，调节xy轴函数发生器2和z轴函数发生器20的输出电压，利用三维磁补偿技术将原子气室5感受到的周围的磁场归零；控制z轴函数发生器20在z方向施加高频调制磁场，其频率为1kHz，幅值为80nT；
(3)完成步骤(2)后，将偏振差分检测模块23输出的差分放大信号11引入锁相放大器14，在锁相放大器中使用锁相放大技术分别以1kHz、2kHz频率对差分放大信号11进行解调，得到一次谐波分量15，记为θw，二次谐波分量16，记为θ2w；
Figure BDA0004128890460000061
式中，K为放大系数，I0为抽运光功率密度，OD(v)为光学深度，n为原子数密度，c为光速，r为经典电子半径，f为碱金属原子D1线共振强度，l为原子气室长度，v0为碱金属原子D1线共振频率，v为激光的频率，Г为原子气室压力展宽，Rop为抽运率，Rrel为横向弛豫率，s为抽运光的自旋角动量，γe是单个电子的旋磁比，J0和J1和J2分别为0阶、1阶、2阶贝塞尔函数，u为磁场调制参数，B0是z轴正向的待测磁场；
(4)将步骤(3)中得到的一次谐波分量15θw，二次谐波分量16θ2w，经过除法电路17，得到无量纲的运算信号Sinput＝θw/θ2w，将Sinput接入减法电路18，使其与设定值0做差，所得差值作为误差信号输入到PID模块19，PID模块19的输出信号控制z轴函数发生器20使其产生反馈控制信号21，记为Sctrl；
Figure BDA0004128890460000062
其中Sinput是无量纲运算信号,Sctrl是反馈控制信号，Rop为抽运率，Rrel为横向弛豫率，J1和J2分别为1阶、2阶贝塞尔函数，u为磁场调制参数，B0是z轴正向的待测磁场；
(5)利用步骤(4)得到的Sctrl作用于三轴磁场线圈12的z方向，使线圈产生的磁场与z轴正向的待测磁场大小相等、方向相反，从而将椭偏光SERF原子磁强计的感受到的磁场锁定在零场，Kz与Sctrl运算得到z轴正向的待测磁场B0；
％0＝-KzSctrl/R
式中，Kz为三轴磁场线圈12的z方向的线圈常数，R为三轴磁场线圈z方向的电阻，B0是z轴正向的待测磁场。
总之，本发明提供了一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法，使用一次谐波分量与二次谐波分量作商得到的无量纲的运算信号作为闭环反馈***的输入信号，削弱了抽运激光的参数波动、原子气室温度波动对反馈控制信号的影响，提高了闭环方法的准确性和鲁棒性。通过闭环方法控制三维磁场线圈使得原子气室感受到的环境磁场被实时补偿到零场，提高了测量的动态范围和带宽。
一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置及方法，其特征在于：窄线宽半导体激光器(1)、xy轴函数发生器(2)、保偏光纤(3)、椭圆偏振器(4)、原子气室(5)、二分之一波片(6)、侧向位移偏振分光棱镜(7)、光电探测器(8)、差分放大电路(9)、烤箱(10)、差分放大信号(11)、三轴磁场线圈(12)、原子磁强计表头外壳(13)、锁相放大器(14)、一次谐波分量(15)、二次谐波分量(16)、除法电路(17)、减法电路(18)、PID模块(19)、z轴函数发生器(20)、反馈控制信号(21)、闭环反馈***(22)、偏振差分检测模块(23)。调节窄线宽半导体激光器(1)出射激光的频率偏离碱金属原子D1线共振频率，将该激光作为光源耦合到保偏光纤(3)中，并透过椭圆偏振器(4)转换为椭圆偏振光，将该光作为抽运激光照射原子气室(5)；控制xy轴函数发生器(2)和z轴函数发生器(20)，利用三维磁补偿技术将原子气室(5)感受到的磁场归零，控制z轴函数发生器(20)在z方向施加高频调制磁场；在锁相放大器中使用锁相放大技术分别以一倍频、二倍频频率对差分放大信号(11)进行解调，得到一次谐波分量(15)，二次谐波分量(16)；将两分量作商得到无量纲的运算信号并与0做差，所得差值作为误差信号输入到PID模块(19)，用PID模块(19)的输出信号控制z轴函数发生器(20)使其产生反馈控制信号(21)并作用于三轴磁场线圈(12)的z方向，使线圈产生与z轴正向的待测磁场大小相等、方向相反的磁场，从而将椭偏光SERF原子磁强计的感受到的磁场锁定在零场。
还包括窄线宽半导体激光器(1)、保偏光纤(3)、椭圆偏振器(4)；窄线宽半导体激光器(1)用来提供线偏振的激光光源；保偏光纤(3)用来传输激光光源；椭圆偏振器(4)用来将线偏振光转换为特定椭圆度的椭圆偏振光，该椭圆偏振光作为抽运激光极化碱金属原子。
还包括xy轴函数发生器(2)、z轴函数发生器(20)、三轴磁场线圈(12)；xy轴函数发生器(2)用来控制三轴磁场线圈(12)补偿x，y方向的环境磁场到零；z轴函数发生器(20)用来控制三轴磁场线圈(12)补偿z方向的环境磁场到零。
还包括原子气室(5)、烤箱(10)；原子气室(5)作为传感元件，其中充有碱金属原子，并处于弱磁环境下；烤箱(10)包裹在原子气室(5)周围，用来加热原子气室(5)至碱金属原子数密度达到1013～1014个/cm3。
还包括二分之一波片(6)、侧向位移偏振分光棱镜(7)、光电探测器(8)、差分放大电路(9)、偏振差分检测模块(23)；二分之一波片(6)在碱金属原子被加热前将侧向位移偏振分光棱镜(7)两正交分量的分光比调节为50％、50％；侧向位移偏振分光棱镜(7)用来将抽运激光分解成两个偏振方向正交的线偏振光；光电探测器(8)用来将透过侧向位移偏振分光棱镜(7)的两束线偏振光的光强信息转化成电流信号；差分放大电路(9)用来对光电探测器(8)输出的两个电流信号做差并放大；偏振差分检测模块(23)包括二分之一波片(6)、侧向位移偏振分光棱镜(7)、光电探测器(8)、差分放大电路(9)，用来实现偏振差分检测技术。
还包括差分放大信号(11)、锁相放大器(14)、一次谐波分量(15)、二次谐波分量(16)、除法电路(17)；锁相放大器(14)用来实现锁相放大技术得到谐波分量；一次谐波分量(15)、二次谐波分量(16)均为椭偏光SERF原子磁强计零阶共振信号中的谐波分量，两者经过除法电路(17)，用来得到无量纲的运算信号。
还包括减法电路(18)、PID模块(19)、z轴函数发生器(20)、反馈控制信号(21)、闭环反馈***(22)；闭环反馈***(22)包括减法电路(18)、PID模块(19)、z轴函数发生器(20)、反馈控制信号(21)，其中减法电路(18)将无量纲的运算信号与设定值0做差，所得差值作为误差信号输入到PID模块(19)，PID模块(19)的输出信号接入到z轴函数发生器(20)，z轴函数发生器(20)产生用于控制三轴磁场线圈(12)z方向磁场的反馈控制信号(21)。
所述的保偏光纤(3)末端、椭圆偏振器(4)、原子气室(5)、烤箱(10)、三轴磁场线圈(12)、偏振差分检测模块(23)放置在原子磁强计表头外壳(13)中，与原子磁强计表头外壳(13)共同组成原子磁强计表头。
所述的侧向位移偏振分光棱镜(7)光轴方向方向和保偏光纤(3)快轴方向对齐。
所述的窄线宽半导体激光器(1)出射频率偏离碱金属原子D1线共振频率的线偏振光光源，通过将该线偏振光的偏振方向与保偏光纤(3)的快轴方向对齐，将光源耦合到保偏光纤(3)中。
所述的椭圆偏振器(4)包括线偏振片和四分之一波片，两者光轴方向夹角为α，线偏振光光源的偏振方向和线偏振片光轴方向重合，线偏振光源经过椭圆偏振器(4)转换为椭圆度为α的椭圆偏振光，该光是椭偏光SERF原子磁强计的抽运激光。
所述的反馈控制信号(21)与三轴磁场线圈(12)z方向的线圈常数运算得到原子磁强计输出信号，即z方向的磁场测量值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，其特征在于，包括位于原子磁强计表头外壳内的三轴磁场线圈和偏振差分检测模块，所述偏振差分检测模块的激光输入端连接所述三轴磁场线圈内原子气室的激光出射端，所述原子气室的激光入射端依次通过椭圆偏振器和保偏光纤连接窄线宽半导体激光器，所述偏振差分检测模块的输出端依次通过锁相放大器、除法电路、减法电路、PID模块和z轴函数发生器连接所述三轴磁场线圈，所述三轴磁场线圈连接xy轴函数发生器，所述z轴函数发生器输出直流电压驱动所述三轴磁场线圈在z方向产生磁场，所述xy轴函数发生器输出直流电压驱动所述三轴磁场线圈在x方向和y方向产生磁场。
2.根据权利要求1所述的基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，其特征在于，所述偏振差分检测模块包括侧向位移偏振分光棱镜，所述侧向位移偏振分光棱镜的输入端通过二分之一波片连接原子气室的激光出射端，所述侧向位移偏振分光棱镜的输出端依次通过光电探测器和差分放大电路连接所述锁相放大器。
3.根据权利要求1所述的基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，其特征在于，所述椭圆偏振器包括线偏振片和四分之一波片，两者光轴方向夹角为α，线偏振光光源的偏振方向和线偏振片光轴方向重合，线偏振光源经过椭圆偏振器转换为椭圆度为α的椭圆偏振光，该椭圆偏振光是椭偏光SERF原子磁强计的抽运激光。
4.根据权利要求1所述的基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，其特征在于，所述原子气室和所述三轴磁场线圈之间设置有烤箱，所述锁相放大器分别向所述除法电路输入一次谐波分量和二次谐波分量，所述减法电路将来自除法电路的无量纲运算信号与设定值0做差，所得差值作为误差信号输入到PID模块，所述无量纲运算信号为一次谐波分量除以二次谐波分量所得的商，一次谐波分量和二次谐波分量均为椭偏光SERF原子磁强计零阶共振信号中的谐波分量。
5.根据权利要求1所述的基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，其特征在于，所述z轴函数发生器输出反馈控制信号，所述反馈控制信号与所述三轴磁场线圈的z方向的线圈常数运算得到原子磁强计输出信号，即z轴正向的待测磁场。
6.根据权利要求1所述的基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，其特征在于，包括：
Figure FDA0004128890450000021
其中θw是一次谐波分量，θ2w是二次谐波分量，K为放大系数，I0为抽运光功率密度，OD(v)为光学深度，n为原子数密度，c为光速，r为经典电子半径，f为碱金属原子D1线共振强度，l为原子气室长度，v0为碱金属原子D1线共振频率，v为激光的频率，Г为原子气室压力展宽，Rop为抽运率，Rrel为横向弛豫率，s为抽运光的自旋角动量，γe是单个电子的旋磁比，J0和J1和J2分别为0阶、1阶、2阶贝塞尔函数，u为磁场调制参数，B0是z轴正向的待测磁场。
7.根据权利要求1所述的基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，其特征在于，包括：
Figure FDA0004128890450000022
其中Sinput是无量纲运算信号,Sctrl是反馈控制信号，Rop为抽运率，Rrel为横向弛豫率，J1和J2分别为1阶、2阶贝塞尔函数，u为磁场调制参数，B0是z轴正向的待测磁场，Kz为所述三轴磁场线圈的z方向的线圈常数，R为三轴磁场线圈z方向的电阻。
8.一种基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计操纵方法，其特征在于，包括采用上述权利要求1-7之一所述的基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计装置，和以下步骤：
步骤1，调节窄线宽半导体激光器出射激光的频率偏离碱金属原子D1线共振频率，且偏振态为线偏振，将该激光作为光源耦合到保偏光纤中，经过保偏光纤出射的线偏振光透过椭圆偏振器转换为椭圆度为α的椭圆偏振光，将该光作为抽运激光照射原子气室；
步骤2，控制xy轴函数发生器和z轴函数发生器，利用三维磁补偿技术将原子气室感受到的磁场归零，控制z轴函数发生器在z方向施加高频调制磁场，其频率为wm；
步骤3，将偏振差分检测模块输出的差分放大信号引入锁相放大器，在锁相放大器中使用锁相放大技术分别以一倍频wm、二倍频2wm频率对差分放大信号进行解调，得到一次谐波分量θw，二次谐波分量θ2w；
步骤4，θw和θ2w经过除法电路得到无量纲运算信号Sinput＝θw/θ2wt，将Sinput接入减法电路，使Sinput与设定值0做差，所得差值作为误差信号输入到PID模块，PID模块的输出信号控制z轴函数发生器产生反馈控制信号Sctrl；
步骤5，Sctrl作用于三轴磁场线圈的z方向，使线圈产生的磁场与z轴正向的待测磁场B0大小相等且方向相反，从而将椭偏光SERF原子磁强计的感受到的磁场锁定在零场。
9.根据权利要求8所述的基于磁场闭环的椭偏光SERF原子磁强计操纵方法，其特征在于，所述步骤2中的三维磁补偿技术是通过控制原子气室周围的三轴磁场线圈，使其产生与环境磁场大小相同、方向相反的磁场，从而实现原子气室感受到的环境磁场归零的技术。
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