[发明专利]液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及磁场测量方法

说明书

本发明公布了一种液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及其测量磁场的方法，可用于磁力仪；包括垂直于磁场方向的泵浦光光路、沿磁场方向的探测光光路和电路闭环；泵浦光光路依次包括原子气室、第一偏振片、声光调制器、激光器；探测光光路依次包括光电探测器、泵浦光光路中的原子气室、第二1/4波片、液晶、第一1/4波片、第二偏振片和激光器；电路闭环部分包括光电探测器、放大比较器、电源驱动、声光调制器、计数器。本发明设计液晶相位补偿方案，结合光强调制磁力仪和自激式磁力仪，能够避免电路线圈带来的相移且实现更大范围磁场的移相，解决电路移相不利的问题，响应速度快，适用各种原子，应用价值高。

技术领域

本发明涉及光泵磁力仪技术领域，尤其涉及一种液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及在地磁场情况下各原子均适用的原子磁传感器及利用该原子磁传感器测量磁场的方法。

背景技术

磁力仪是磁场测量仪器的统称。高灵敏度磁场测量技术在生物医学、地球物理、空间探索以及军事与国防等领域都有着广泛且重要的应用。目前，国内外磁力测量研究水平差异显著，国外先进水平的磁力仪在灵敏度指标等方面已远超过我国。因此，自主研制高灵敏度磁力仪，具有战略意义。光泵原子磁力仪是目前比较成熟的高灵敏度磁力仪之一，其中激光光泵原子磁力仪由于单色性好、选择特性优良等优势，能够极大程度地提升性能指标，因而成为国内外研究热点。

基于原子的磁光双共振原理的激光光泵原子磁力仪，通常包含三个过程：光泵浦过程，极化原子在外磁场中演化，磁共振探测。需要物理部件包括激光光源、原子磁传感器、磁共振信号检测电路等部分。激光光源产生特定波长(使得原子磁传感器内原子产生光泵浦作用的光频率值)、强度与频谱宽度的激光光束，一般需要稳频及激光稳功率稳定装置。原子磁传感器包括若干光学偏振器件、原子气室、亥姆霍兹线圈以及光电探测器：偏振器件通常为波片与偏振分束棱镜等光学器件的组合，使得激光光源产生的激光光束具有特定的偏振方向以便于与原子发生角动量转换，进而极化原子介质；原子气室是充有一定压强的原子气体的波璃泡，具有特定偏振的激光光束入射至原子介质气室，与气室内原子相互作用极化原子；被光极化的原子介质在外磁场的作用下进行有规律的演化，缠绕于原子气室周围的亥姆赫兹线圈，产生具有一定频率且方向垂直于激光光束传播方向的交变磁场，当交变磁场的频率恰好等于原子进动频率时，产生磁共振，造成气室对探测光的吸收变化；光电探测器置于原子介质气室后侧，实时探测透过原子介质气室的光信号，并将光信号转换为电信号。磁共振信号检测电路对光电探测器探测得到的电信号进行处理，通过滤波、放大、锁相等，反馈控制亥姆霍兹线圈，跟踪锁定磁共振产生时对应的频率值，同时根据磁场与频率的换算关系，推算出磁场的大小，实现对磁场的测量。

1961年，Bell和Bloom提出调制光场驱动自旋进动的磁力仪方案，该方案采用光强度调制的圆偏振光代替磁光双共振方案里亥姆赫兹线圈产生的垂直于外磁场的射频场，光场调制频率等于拉莫频率的整数倍时，探测光的吸收出现周期震荡，震荡频率是磁场对应拉莫频率或者是其倍数，通过解调后可获得磁场值。同样对激光的频率、相位进行调制，可以得到类似的磁共振信号，锁定后可以得到磁场值。

为了实现磁场快速锁定同时简化磁力仪的结构，1962年Bloom提出一种自激震荡磁力仪的方法。自激振荡电路由放大电路和反馈网络组成，两者构成一个闭合回路，且必须满足自激振荡条件(增益条件及相位条件)。传统的自激式原子磁力仪利用了自激振荡电路的基本原理。在射频场的作用下，当产生磁共振时，探测光的吸收产生同频率的振荡，但是探测信号相位比射频场延迟了90度，按照自激振荡的原理，将探测信号相位移相90度，使整个环路的相移为2nπ即可发生自激振荡。这种自激式磁力仪也更适合小型化的设计。

现有传统的自激原子磁力仪需要移相电路将探测信号移相90度实现磁场测量，但由于移相电路受到磁场大小的影响，使电路移相较为困难,需要额外相位补偿，这一情况限制了自激磁力仪的灵敏度。而在外磁场变化范围较大的情况下，对应拉莫频率范围也变大，实现移相就更为困难。尤其在地磁场这类大磁场情况下，如果要用旋磁比更高的类似于氦原子作为原子介质，对应拉莫频率就更高，也不利于移相电路的设计。