[发明专利]一种原子磁强计交流磁场幅值测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种原子磁强计交流磁场幅值测量装置及方法，该方法利用碱金属原子自旋极化率解的一阶共振分量受外界交流磁场影响的原理，通过改变三轴线圈产生的交流磁场频率，测量磁强计输出信号幅值，对屏蔽桶内的剩余交流磁场进行测量。装置包括抽运光路、检测光路、磁屏蔽桶、三轴线圈、碱金属原子气室、线圈电流源、信号采集处理单元等，本发明能够在原子磁强计正常工作时完成交流磁场幅值的测量和补偿，降低磁场噪声，使磁强计工作在极弱磁场环境下，有望提高原子磁强计灵敏度。

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，具体是一种原子磁强计交流磁场幅值测量装置及方法。

背景技术

极弱磁场测量技术在地磁导航、生物医疗、航空航天、基础物理研究等诸多领域有着广泛的应用。常用的弱磁传感器包括光泵磁强计、磁通门磁强计和超导量子干涉仪，其中，灵敏度有望达到aT/Hz^1/2的无自旋交换驰豫的SERF原子磁强计是最灵敏的磁传感器之一，需要屏蔽地磁场使其工作在极弱磁场环境下。目前采用的坡莫合金磁屏蔽筒能够将地磁场衰减到1nT，如果要进一步衰减磁场，就要采用主动磁屏蔽的技术，测量出剩余磁场后，给线圈施加电流补偿剩余磁场。

常用的测量手段包括使用磁通门等磁传感器进行测试，但这需要将传感器探头深入到磁屏蔽桶内，会影响光路工作，无法在原子磁强计工作状态下进行剩磁测量。其他不使用磁传感器的剩磁测量方法，例如用光频移反向相减的方法解算剩磁则需要改变抽运光的偏振态，而利用极化率稳态解施加三轴解耦磁场的方法需要施加三个方向的磁场且无法直接测量出磁场的大小。因此，有必要研究一种能在原子磁强计工作状态下直接测量出磁屏蔽桶内剩余交流磁场的简便方法，在无法得知交流磁场幅值的情况下，只通过改变磁场的频率就能测量出交流磁场的大小，为提高磁屏蔽效果，并为优化传感器的灵敏度提供条件。

发明内容

本发明基于以上技术路线，提出了一种原子磁强计交流磁场幅值测量装置及方法。

1、本发明所述的一种原子磁强计交流磁场幅值测量装置，包括抽运光路、检测光路、碱金属原子气室、信号采集处理单元、线圈电流源，其所述的碱金属原子气室外部由内向外依次设有加热机构、三轴线圈、磁屏蔽桶，所述抽运光路输出抽运光进入碱金属原子气室后将碱金属原子极化；所述检测光路垂直于抽运光路，输出的检测光通过碱金属原子气室并转换成电压值被所述信号采集处理单元读取；所述信号采集处理单元输出控制信号到线圈电流源，所述的三轴线圈用于在垂直于抽运光和检测光平面的方向施加交流磁场，所述线圈电流源用于控制三轴线圈产生交流磁场的频率。

作为优选，所述抽运光路包括抽运光激光器和抽运光光路调整机构，抽运光激光器发出的抽运光在经过抽运光光路调整机构调整后射入碱金属原子气室，抽运光光路调整机构包括至少一个透镜。

作为优选，所述检测光路包括检测光激光器、检测光光路调整机构和光电探测器，所述检测光激光器发出的检测光经过检测光光路调整机构调整后穿过碱金属原子气室并被光电探测器接收，光电探测器接收检测光并将其转化成电压值输出给信号采集处理单元，所述检测光光路调整机构包括至少一个透镜。

作为优选，所述加热机构包括无磁电加热烤箱和隔热保温材料，所述无磁电加热烤箱用于给碱金属原子气室加热，并配合外部的隔热保温材料腔进行温度控制。

作为优选，所述磁屏蔽桶用于给装置提供无磁环境。

本发明还提供了一种原子磁强计交流磁场幅值测量方法，包含以下步骤：

S1：根据Bloch方程，计算出极化率的一阶分量的表达式，并推导出交流磁场幅值和调制交流磁场频率之间的关系表达式；

S2：开启抽运激光器和检测激光器，调整两个光路，使抽运光和检测光相互垂直的通过磁屏蔽桶内的碱金属气室，开启加热机构对碱金属气室加热，增加原子数密度，使原子磁强计工作；

S3：用信号采集处理单元测量出原子磁强计的输出信号幅值；