一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种磁场测量装置和方法，具体而言，设及一种基于相干粒子数俘获 效应的磁场矢量测量装置和方法，属于磁场测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 磁场测量可用于导航定位、目标探测、地球物理研究、油气和矿产勘查、医学诊断、 地质调查及考古研究等领域。目前对微弱磁场矢量的测量大都采用=轴磁通口磁力仪、超 导磁力仪和外加=轴磁场的质子磁力仪。=轴磁通口磁力仪存在铁忍聚磁、=轴互相禪合、 电路零点漂移等误差，其测量精度和分辨率都不高。超导磁力仪成熟度低、所需的低溫制冷 系统使得其维护成本高，体积庞大、无法大范围普及应用。
[0003] 因此，迫切需要一种新的技术手段来解决W上问题，基于相干粒子数俘获 (CoherentPopulationTrapping,CPT)效应的原子磁力仪通过检测激光与原子作用后的 透射光谱来实现对磁场的测量，具有精度高、体积小、功耗低的优点。将高精度原子磁力仪 用于地磁矢量测量，能够为科学研究和工程应用提供一种高精度、高稳定性的磁场矢量测 量手段。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于相干粒子数俘 获效应的磁场矢量测量装置和方法，降低了磁力仪的体积和功耗，提高了测量精度，并可根 据应用需求在标量和矢量两种模式间切换。
[0005] 本发明的技术方案是：一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置，其特 征在于：包括物理探头和主机系统；所述物理探头提供磁场感应部分，包括输入光纤、第一 透镜、四分之一波片、第一直角棱镜、原子样品池、亥姆霍兹线圈、第二直角棱镜、第二透镜 和输出光纤；所述主机系统包括激光光源和控制系统；
[0006] 激光光源发出的线偏振光由输入光纤传播到物理探头，在物理探头内部依次经过 第一透镜、四分之一波片和第一直角棱镜转为圆偏振的平行光后，沿Z轴方向入射原子样 品池；在原子样品池内激光与原子相互作用，实现相干粒子数俘获效应，出射光束由第二直 角棱镜反射再经过第二透镜聚焦禪合进入输出光纤，由输出光纤再传回控制系统，控制系 统采集并处理带有待测磁场信息的信号，完成磁场矢量测量功能；所述输入光纤、第一透 镜、四分之一波片、第一直角棱镜、原子样品池、第二直角棱镜、第二透镜和输出光纤的中屯、 轴线在X-Z平面内；
[0007] 所述物理探头内部加入一组亥姆霍兹线圈，通过给亥姆霍兹线圈通电流产生与激 光传播方向成45度夹角的偏置磁场，定义正电流产生的偏置磁场方向与X轴和Z轴正方向 成45度夹角，初始产生的偏置磁场在X-Z平面内；所述亥姆霍兹线圈通过转动机构绕Z轴 旋转，产生Y-Z平面内的偏置磁场；所述X-Y-Z轴的定义如下：第二直角棱镜和第二透镜的 中屯、轴线定义为X轴，激光在原子样品池中的传播反方向定义为Z轴，Y轴垂直于X-Z平面， 指向纸面外。
[0008] 利用一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置进行测量的方法，其特征 在于步骤如下：
[0009] (1)设置所述亥姆霍兹线圈内的电流值为零，测量此时的待测磁场大小为B ;
[0010] (2)扫描亥姆霍兹线圈内电流值，范围-Im。、~Im。、，判断相干粒子数俘获效 应产生的中间峰幅度；当中间峰幅度为零时，产生偏置磁场的Z轴分量与待测磁场 的Z轴分量相抵消，记录此时所述亥姆霍兹线圈内电流值为Iwt，对应的偏置磁场为
其中B。为偏置磁场爲的标量大小，计算获得待测磁场的Z轴分量 为
[0011] (3)保持亥姆霍兹线圈内电流值为Iwt不变，测得此时待测磁场与偏置磁场合成 的总磁场大小为Bi，计算得出待测磁场的X轴分量
[0012] (4)保持亥姆霍兹线圈内电流值为Iwt不变，将亥姆霍兹线圈绕Z轴沿顺时针旋转 90度，则偏置磁场位于Y-Z平面内，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B2， 计算获得待测磁场的Y轴分量
[0013] 本发明与现有技术相比的有益效果：
[0014] (1)本发明只需在原子样品池周围安装一组亥姆霍兹线圈，从而有效减小测磁装 置传感部分的体积。
[0015] (2)本发明不存在=轴垂直度误差，提高矢量磁力仪的测量精度。
[0016] (3)本发明采用激光作为干设光源，激光的窄线宽特性和消多普勒效应，确保此装 置具有pT量级的精度。
[0017] (4)本发明的矢量测磁方法简单，能够实现较快速度测量。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的物理探头结构图；
[0019] 图2是本发明实施例的磁场矢量测量流程图；
[0020] 图3是偏置磁场在X-Z平面内的分解图；
[0021] 图4是待测磁场与偏置磁场合成的总磁场Bi在X-Y平面内的分解图；
[0022] 图5是偏置磁场在Y-Z平面内的分解图；
[0023] 图6是待测磁场与偏置磁场合成的总磁场B2在X-Y平面内的分解图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限 定。
[00巧]采用本发明实施例的基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置，其物理探头 结构图如图1所示。输入光纤101将激光光源发出的线偏振光导入物理探头内部，在本实 施例中，采用垂直腔表面发射半导体激光器，具有体积小、方向性好、响应速度快、功率损耗 低、动态调制频率高等特点，满足本发明测磁装置对光源部分的要求，并且此激光器内部集 成有半导体制冷器和负溫度系数热敏电阻，便于控制溫度。
[0026] 在物理探头内部，光路依次经过第一透镜102、四分之一波片103、第一直角棱镜 104、原子样品池105、第二直角棱镜107和第二透镜108,最后由输出光纤109再传回主机 系统进行数据处理。第一透镜102、四分之一波片103和第一直角棱镜104的中屯、轴线在一 条直线上，可W将激光器发出的线偏振光转变为圆偏振光。第一直角棱镜104和原子样品 池105的中屯、轴线在一条直线上，与第二直角棱镜107和第二透镜108构成的直线相垂直。 原子样品池105内封装钢原子和缓冲气体，提供测量磁场的干设介质。
[0027] 在物理探头内部，安装一组亥姆霍兹线圈106,其作用是通过给亥姆霍兹线圈106 通电流可产生与激光传播方向成45度夹角的偏置磁场。如图1所示，定义正电流产生的偏 置磁场方向与X轴和Z轴正方向成45度夹角，初始产生的偏置磁场在X-Z平面内。所设置 的运组亥姆霍兹线圈106可通过转动机构绕Z轴旋转，产生Y-Z平面内的偏置磁场，用于磁 场矢量的计算。
[0028] 采用本发明实施例的基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置，其主机系统 提供激光光源和系统控制部分，由激光器、激光器溫度控制电路、激光器电流控制电路、原 子样品池溫度控制电路、调制微波源、偏置磁场控制电路、光电探测器及检测电路构成。激 光器提供系统光源，激光器溫度控制电路和激光器电流控制电路与激光器相连，用于调节 激光器的溫度和电流，确保激光中屯、波长不变；原子样品池溫度控制电路用于保持原子样 品池105的溫度稳定，使钢原子的密度适合，优化干设效果；调制微波