一种无磁场调制的双轴SERF原子磁强计测量装置及方法

一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量装置及方法
技术领域
1.本发明涉及基于原子磁强计的极弱磁测量技术领域，特别是一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量装置及方法，属于一种省去调制磁场的全光双轴矢量serf原子磁强计技术。


背景技术：

2.基于serf(spin-exchange relaxation-free，无自旋交换弛豫)效应的原子磁强计可以实现超高灵敏度的极弱磁场测量，具有at级的测量灵敏度潜力。经典的serf原子磁强计是一种单轴矢量磁强计，为了实现多轴实时测量，需要额外施加调制磁场。但是，调制磁场会引起原子自旋交换弛豫增加，导致测量灵敏度下降；其次当serf原子磁强计用于阵列式测量系统时，不同磁强计产生的调制磁场会互相串扰，影响测量精度。
3.为了解决以上难题，提出一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量装置及方法，通过调制serf原子磁强计中的抽运光，替代传统的磁场调制，进而测量双轴原子自旋极化率信息，实现双轴磁场测量。这种方法由于不引入调制磁场，可实现更高灵敏度的双轴磁场测量，并且可完全抑制磁场串扰。为未来新一代超高灵敏度阵列式原子磁强计技术及应用提供一种新方案。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量装置及方法，解决由于传统方法中调制磁场引入的弛豫和串扰增加问题。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量装置，包括从z轴方向穿过碱金属气室21的抽运光路和从x轴方向穿过碱金属气室21的检测光路，抽运光路的抽运激光由抽运激光器8发出，依次经过声光调制器9、光阑10、第二起偏器11、扩束器12、第一反射镜13、第二1/4波片14后入射碱金属气室21；抽运激光穿过碱金属气室21后通过第二反射镜15和第二光电探测器16连接第二锁相放大器17的探测信号输入端，所述第二锁相放大器17的参考信号输入端连接所述声光调制器9。所属检测光路的检测光由检测激光器1发出，依次经过第一起偏器2、光弹调制器3、第一1/4波片4后入射碱金属气室21；检测光穿过碱金属气室21后，依次通过检偏器5和第一光电探测器6连接第一锁相放大器7的探测信号输入端，所述第一锁相放大器7的参考信号输入端连接所述光弹调制器3。所述第一锁相放大器7对检测光进行解调，所述第二锁相放大器17对抽运激光进行解调。所述碱金属气室21的外围向外依次设置有三轴磁补偿线圈20、铁氧体磁屏蔽筒19和坡莫合金磁屏蔽桶18。
7.所述第一锁相放大器对检测光进行解调，所述第二锁相放大器对抽运光进行解调。
8.所述碱金属气室的外围向外依次设置有三轴磁补偿线圈、铁氧体磁屏蔽筒和坡莫合金磁屏蔽桶。
9.一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量方法，其特征在于，包括采用上述一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量装置和以下步骤：
10.步骤1：启动无磁场调制serf双轴磁场测量装置，通过调节抽运激光器出射抽运光的频率至碱金属原子谱线d1线的中心，使得的抽运光引起的碱金属原子光频移最小；通过调节检测激光器出射的检测光的频率失谐量，使得检测光的旋光角最大，即碱金属原子对于检测光的响应信号最强；
11.步骤2：在x轴方向或y轴方向施加缓变锯齿波标定磁场，调节声光调制器上加载的方波占空比，使得进入光电探测器中的抽运光一次谐波信号的峰峰值最大；
12.步骤3：在y方向施加缓变锯齿波标定磁场，记录检测光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号和抽运光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号；
13.步骤4：测量检测光方向一次谐波信号和抽运光方向一次谐波信号，检测光路的解调信号敏感检测方向电子极化率p
x
，当z轴方向磁场bz趋于0时，电子极化率p
x
敏感于磁场by，表达式如下：
[0014][0015]
其中r
op
是抽运光平均抽运率，r
tot
是总弛豫率，γe是电子旋磁比，b
x
是x轴方向磁场，by是y轴方向磁场；通过检测光路的解调信号可测量得到by，抽运光路的解调信号敏感抽运方向电子极化率pz，其中当bz趋于0时，pz敏感xy平面内横向磁场大小，其中b
⊥
是横向磁场；
[0016][0017]
其中d是方波周期信号占空比，π是圆周率，q是核自旋减慢因子，ω是抽运光调制角频率，i是虚数单位；通过获得抽运光路的解调信号得到b
⊥
；
[0018]
步骤5：利用求得x轴磁场b
x
，从而实现b
x
和by的双轴测量。
[0019]
所述步骤2中包括通过外接信号发生器施加0-5v的方波周期信号控制声光调制器，实现对抽运光光强的调制。
[0020]
所述步骤2中包括在垂直于抽运光的方向施加-5nt至5nt、0.2hz的缓变锯齿波标定磁场。
[0021]
所述步骤3中包括在y方向施加-5nt至5nt、0.2hz的缓变锯齿波标定磁场。
[0022]
所述步骤4中包括：极化率与三轴磁场的关系式如下，
[0023][0024]
本发明的技术效果如下：本发明一种无磁场调制的serf双轴磁场测量装置及方法，舍弃了传统双轴测量时外加的调制磁场，可实现更高灵敏度的双轴磁场测量，并且可完
全抑制磁场串扰。
附图说明
[0025]
图1为一种无磁场调制的serf双轴磁场测量装置结构示意图。
[0026]
图2是实施本发明一种非磁场调制的serf双轴磁场测量方法的流程示意图。serf(spin-exchange relaxation-free)是无自旋交换弛豫。图2中包括如下步骤：步骤1，启动无磁场调制serf双轴磁场测量装置，通过调节抽运激光器出射抽运光的频率至碱金属原子谱线d1线的中心，使得的抽运光引起的碱金属原子光频移最小；通过调节检测激光器出射的检测光的频率失谐量，使得检测光的旋光角最大，即碱金属原子对于检测光的响应信号最强；步骤2，在x轴方向或y轴方向施加缓变锯齿波标定磁场，调节声光调制器上加载的方波占空比，使得进入光电探测器中的抽运光一次谐波信号的峰峰值最大；步骤3，在y方向施加缓变锯齿波磁场，记录检测光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号和抽运光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号；步骤4，测量检测光方向一次谐波信号和抽运光方向一次谐波信号，检测光路的解调信号敏感检测方向电子极化率p
x
，当z轴方向磁场bz趋于0时，电子极化率p
x
敏感于磁场by，pz敏感xy平面内横向磁场大小，其中b
⊥
是横向磁场；步骤5，利用求得x轴磁场b
x
，从而实现b
x
和by的双轴测量。
[0027]
附图标记列示如下：1-检测激光器；2-第一起偏器；3-光弹调制器(pem，photo elastic modulator)；4-第一1/4波片；5-检偏器；6-第一光电探测器；7-第一锁相放大器(具有光电探测信号输入端和来自光弹调制器的参考信号输入端)；8-抽运激光器；9-声光调制器(aom，acousto-optic modulator)；10-光阑；11-第二起偏器；12-扩束器；13-第一反射镜；14-第二1/4波片；15-第二反射镜；16-第二光电探测器；17-第二锁相放大器(具有光电探测信号输入端和来自声光调制器的参考信号输入端)；18-坡莫合金磁屏蔽桶；19-铁氧体磁屏蔽筒；20-三轴磁补偿线圈；21-碱金属气室。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。
[0029]
图1为一种无磁场调制的serf双轴磁场测量装置结构示意图。图2是实施本发明一种非磁场调制的serf双轴磁场测量方法的流程示意图。如图1至图2所示，一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量装置，包括从z轴方向穿过碱金属气室21的抽运光路和从x轴方向穿过碱金属气室21的检测光路，抽运光路的抽运激光由抽运激光器8发出，依次经过声光调制器9、光阑10、第二起偏器11、扩束器12、第一反射镜13、第二1/4波片14后入射碱金属气室21；抽运激光穿过碱金属气室21后通过第二反射镜15和第二光电探测器16连接第二锁相放大器17的探测信号输入端，所述第二锁相放大器17的参考信号输入端连接所述声光调制器9。所属检测光路的检测光由检测激光器1发出，依次经过第一起偏器2、光弹调制器3、第一1/4波片4后入射碱金属气室21；检测光穿过碱金属气室21后，依次通过检偏器5和第一光电探测器6连接第一锁相放大器7的探测信号输入端，所述第一锁相放大器7的参考信号输入端连接所述光弹调制器3。所述第一锁相放大器7对检测光进行解调，所述第二锁相放大
器17对抽运激光进行解调。所述碱金属气室21的外围向外依次设置有三轴磁补偿线圈20、铁氧体磁屏蔽筒19和坡莫合金磁屏蔽桶18。
[0030]
所述第一锁相放大器对检测光进行解调，所述第二锁相放大器对抽运光进行解调。所述碱金属气室的外围向外依次设置有三轴磁补偿线圈、铁氧体磁屏蔽筒和坡莫合金磁屏蔽桶。
[0031]
一种无磁场调制的serf双轴磁场测量方法，包括以下步骤：步骤1，启动无磁场调制serf双轴磁场测量装置，通过调节抽运激光器出射抽运光的频率至碱金属原子谱线d1线的中心，使得的抽运光引起的碱金属原子光频移最小；通过调节检测激光器出射的检测光的频率失谐量，使得检测光的旋光角最大，即碱金属原子对于检测光的响应信号最强；步骤2，在x轴方向或y轴方向施加缓变锯齿波标定磁场，调节声光调制器上加载的方波占空比，使得进入光电探测器中的抽运光一次谐波信号的峰峰值最大；步骤3，在y方向施加缓变锯齿波磁场，记录检测光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号和抽运光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号；步骤4，测量检测光方向一次谐波信号和抽运光方向一次谐波信号，检测光路的解调信号敏感检测方向电子极化率p
x
，当z轴方向磁场bz趋于0时，电子极化率p
x
敏感于磁场by，pz敏感xy平面内横向磁场大小，其中b
⊥
是横向磁场；步骤5，利用求得x轴磁场b
x
，从而实现b
x
和by的双轴测量。
[0032]
所述步骤4中包括：在此工作状态下，极化率随三轴磁场的关系如下公式所示。
[0033][0034][0035]
其中r
op
是光抽运率，r
tot
是总弛豫率，d是方波周期信号占空比，γe是电子旋磁比，q是核自旋减慢因子，ω是抽运光调制角频率，b
x
，by，bz是三轴磁场，i是虚数单位。
[0036]
所述步骤2中包括在横向施加-5nt至5nt、0.2hz缓变锯齿波标定磁场。所述步骤3中包括在y方向施加-5nt至5nt、0.2hz缓变锯齿波标定磁场。
[0037]
所述第一锁相放大器7对检测光进行解调，其中解调的参考信号来自光弹调制器3，输入信号来自检测光路第一光电探测器6，调制频率约为50khz，解调一次谐波信号。所述第二锁相放大器17对抽运光进行解调，其中解调的参考信号来自声光调制器9的外方波输入，输入信号来自抽运光路第二光电探测器16，调制频率为1khz，解调一次谐波信号。
[0038]
其中声光调制器9通过外接信号发生器，施加0-5v的方波周期信号，使得抽运光可以周期性的通过声光调制器9。
[0039]
其中检测光路的解调信号敏感x轴电子极化率p
x
，其中当bz趋于0时，p
x
敏感y轴磁场by。
[0040]
其中抽运光路的解调信号敏感z轴电子极化率pz，其中当bz趋于0时，其中pz敏感横向(x-y平面内)磁场b
⊥
，而后可以分别求取b
x
和by，实现双轴测量。
[0041]
[0042][0043]
pz敏感b
⊥
其中p
x
表示x轴电子极化率，pz表示z轴极化率，r
op
是光抽运率，r
tot
是总弛豫率，d是方波周期信号占空比，γe是电子旋磁比，q是核自旋减慢因子，ω是抽运光调制角频率，b
x
，by，bz是三轴磁场，i是虚数单位。
[0044]
测量包括以下步骤：
[0045]
步骤1：在特定的原子气室参数与加热温度下，通过调节抽运激光器出射抽运光的频率至碱金属原子谱线d1线的中心，使得的抽运光引起的碱金属原子光频移最小；通过调节检测激光器出射的检测光的频率失谐量，使得检测光的旋光角最大，即碱金属原子对于检测光的响应信号最强；
[0046]
步骤2：在x轴方向或y轴方向施加缓变锯齿波标定磁场，调节声光调制器上加载的方波占空比，使得进入光电探测器中的抽运光一次谐波信号的峰峰值最大；
[0047]
步骤3：在y方向施加缓变锯齿波标定磁场，记录检测光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号和抽运光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号；
[0048]
步骤4：测量检测光方向一次谐波信号和抽运光方向一次谐波信号，检测光路的解调信号敏感检测方向电子极化率p
x
。当磁场bz趋于0时，电子极化率p
x
敏感于磁场by，如下式所示：
[0049][0050]
通过检测光路的解调信号可测量得到by。抽运光路的解调信号敏感抽运方向电子极化率pz，其中当bz趋于0时，pz敏感xy平面内横向磁场大小
[0051][0052]
通过获得抽运光路的解调信号得到b
⊥
；
[0053]
步骤5：利用求得x轴磁场b
x
，从而实现b
x
和by的双轴测量。
[0054]
所述步骤2中包括通过外接信号发生器施加0-5v的方波周期信号控制声光调制器，实现对抽运光光强的调制。
[0055]
所述步骤2中包括在垂直于抽运光的方向施加5nt至5nt、0.2hz的缓变锯齿波标定磁场。
[0056]
所述步骤3中包括在y方向施加-5nt至5nt、0.2hz的缓变锯齿波标定磁场。
[0057]
所述步骤4中r
op
是光抽运率，r
tot
是总弛豫率，d是方波周期信号占空比，γe是电子旋磁比，q是核自旋减慢因子，ω是抽运光调制角频率，b
x
、by、bz是三个正交方向上的磁场，i是虚数单位。
[0058]
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。

技术特征：
1.一种无磁场调制的serf双轴磁场测量装置，其特征在于：包括从z轴方向穿过碱金属气室(21)的抽运光路和从x轴方向穿过碱金属气室(21)的检测光路，抽运光路的抽运激光由抽运激光器(8)发出，依次经过声光调制器(9)、光阑(10)、第二起偏器(11)、扩束器(12)、第一反射镜(13)、第二1/4波片(14)后入射碱金属气室(21)；抽运激光穿过碱金属气室(21)后通过第二反射镜(15)和第二光电探测器(16)连接第二锁相放大器(17)的探测信号输入端，所述第二锁相放大器(17)的参考信号输入端连接所述声光调制器(9)；所述检测光路的检测光由检测激光器(1)发出，依次经过第一起偏器(2)、光弹调制器(3)、第一1/4波片(4)后入射碱金属气室(21)；检测光穿过碱金属气室(21)后，依次通过检偏器(5)和第一光电探测器(6)连接第一锁相放大器(7)的探测信号输入端，所述第一锁相放大器(7)的参考信号输入端连接所述光弹调制器(3)；所述第一锁相放大器(7)对检测光进行解调，所述第二锁相放大器(17)对抽运激光进行解调；所述碱金属气室(21)的外围向外依次设置有三轴磁补偿线圈(20)、铁氧体磁屏蔽筒(19)和坡莫合金磁屏蔽桶(18)。2.一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量方法，其特征在于，包括采用上述权利要求1所述的一种无磁场调制的双轴serf原子磁强计测量装置，和以下步骤：步骤1：启动无磁场调制serf双轴磁场测量装置，通过调节抽运激光器出射抽运光的频率至碱金属原子谱线d1线的中心，使得的抽运光引起的碱金属原子光频移最小；通过调节检测激光器出射的检测光的频率失谐量，使得检测光的旋光角最大，即碱金属原子对于检测光的响应信号最强；步骤2：在x轴方向或y轴方向施加缓变锯齿波标定磁场，调节声光调制器上加载的方波占空比，使得进入光电探测器中的抽运光一次谐波信号的峰峰值最大；步骤3：在y方向施加缓变锯齿波磁场，记录检测光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号和抽运光方向的光电探测器接收电压信号的一次谐波信号；步骤4：测量检测光方向一次谐波信号和抽运光方向一次谐波信号，检测光路的解调信号敏感检测方向电子极化率p
x
，当z轴方向磁场b
z
趋于0时，电子极化率p
x
敏感于磁场b
y
，表达式如下：其中r
op
是抽运光平均抽运率，r
tot
是总弛豫率，γ
e
是电子旋磁比，b
x
是x轴方向磁场，b
y
是y轴方向磁场；通过检测光路的解调信号可测量得到b
y
，抽运光路的解调信号敏感抽运方向电子极化率p
z
，其中当b
z
趋于0时，p
z
敏感xy平面内横向磁场大小，其中b
⊥
是横向磁场；其中d是方波周期信号占空比，π是圆周率，q是核自旋减慢因子，ω是抽运光调制角频率，i是虚数单位；通过获得抽运光路的解调信号得到b
⊥
；步骤5：利用求得x轴磁场b
x
，从而实现b
x
和b
y
的双轴测量。3.根据权利要求2所述的无磁场调制的serf双轴磁场测量方法，其特征在于，所述步骤
2中包括在垂直于抽运光的方向施加-5nt至5nt、0.2hz的缓变锯齿波标定磁场。4.根据权利要求2所述的无磁场调制的serf双轴磁场测量方法，其特征在于，所述步骤3中包括在y方向施加-5nt至5nt、0.2hz的缓变锯齿波标定磁场。5.根据权利要求2所述的无磁场调制的serf双轴磁场测量方法，其特征在于，所述步骤2中包括通过外接信号发生器施加0-5v的方波周期信号给声光调制器，使得抽运光周期性的通过声光调制器。6.根据权利要求2所述的无磁场调制的serf双轴磁场测量方法，其特征在于，所述步骤4中包括：极化率与三轴磁场的关系式如下，4中包括：极化率与三轴磁场的关系式如下，

技术总结
一种无磁场调制的SERF双轴磁场测量装置及方法，针对传统双轴测量中需要施加调制磁场，导致自旋交换弛豫增加以及磁场串扰的问题，提出通过调制SERF原子磁强计中的抽运光，替代传统的磁场调制，进而测量双轴原子自旋极化率信息，实现双轴磁场测量。这种方法由于舍弃了传统双轴测量时外加的调制磁场，不引入调制磁场，可实现更高灵敏度的双轴磁场测量，并且可完全抑制磁场串扰。为未来新一代超高灵敏度阵列式原子磁强计技术及应用提供一种新方案。案。案。


技术研发人员：房建成 王耀国 马彦宁 詹迪 孙博文 马丹跃 陆吉玺
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/28