[發明專利]一種相干布居囚禁CPT銣原子磁力儀

在審

• 申請號: 201910150027.1
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN109856570A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 方維;金懷洲;金尚忠;趙春柳;石巖;陳義;趙天琦;周亞東
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種相干布居囚禁CPT銣原子磁力儀，包括VCSEL激光器、準直透鏡、λ/4波片、ITO加熱器、原子氣室、磁屏蔽桶、光電探測器、數據采集模塊、溫控模塊、上位機以及電路控制模塊。在與光路平行的磁場作用下，測量調制激光經過銣原子氣室產生的CPT信號，然后根據CPT信號之間頻率差與磁場強度之間的關系，實現對磁場的準確測量。本發明降低了外部雜亂磁場的干擾，提高了輸出CPT信號的穩定性，且具有靈敏度高、低功耗、體積小等優點，在生物醫學、地球物理、量子頻標、軍事探測等方面都有重要應用價值。

技術領域

本發明涉及一種相干布居囚禁CPT銣原子磁力儀，屬于原子磁力儀技術領域。

背景技術

在現代科技中，磁探測技術的應用非常廣泛。磁場測量可用于地球物理研究、油氣和礦產勘查、軍事國防、醫學診斷、地質調查及考古研究等領域。而其中弱磁探測是一個非常重要且具有很大發展前景的研究方向。。目前，主要是采用超導量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device)進行弱磁探測，其對于微弱磁場的測量具有高的靈敏度，但是該磁力儀裝置復雜、對工作環境要求高、使用維護成本高，普適性差，不利于弱磁探測的研究發展。

基于相干布局困禁(Coherent Population Trapping,CPT)的原子磁力儀，因為其獨特的性質在很多領域有著很好的應用潛力。該磁力儀因其絕對測量的方案且無需校準，在導航和空間磁測方向有著很好的前景。

發明內容

為了克服現有磁力儀靈敏度不夠的問題，本發明提供了一種CPT銣原子磁力儀，該磁力儀能夠精確測量磁場，并大幅提高磁場測量靈敏度。

一種CPT銣原子磁力儀，其特征在于：所述的磁力儀包括VCSEL激光器(1)、準直透鏡(2)、λ/4波片(3)、ITO加熱器(4)、原子氣室(5)、磁屏蔽桶(6)、光電探測器(7)、數據采集模塊(8)、溫控模塊(9)、上位機(10)以及電路控制模塊(11)。

上位機(10)通過控制溫控模塊(9)以及ITO加熱器(4)使得VCSEL激光器(1)、原子氣室(5)、和光電探測器(7)保持在適合的溫度下工作，上位機(10)通過電路控制模塊(11)令VCSEL激光器(4)產生單一頻率v_L激光，并且電路控制模塊(11)對VCSEL激光器(4)進行微波v_MW調制，則激光會產生兩個滿足CPT共振需要的±1級邊帶，頻率為v_L±v_MW，激光方向和待測磁場B平行依此通過準直透鏡(2)和偏振器(3)轉換成圓偏振光后進入原子氣室(5)，同時，通過數據采集模塊(8)采集原子氣室(5)的實時溫度和光電探測器(7)探測到的光強，最終通過上位機(10)處理可得到CPT信號峰曲線，然后根據CPT信號峰的頻率差測得磁場B強度。

進一步，所述的VCSEL激光器(1)保持溫度恒定，輸出的光功率約為5mW～20mW，且VCSEL激光器(1)具有體積小，可以低功率發射激光降低功耗的優點。

所述的ITO加熱器(4)僅通過金焊盤實現上ITO層和下ITO層之間的電接觸。因此，由流過下ITO層的電流產生的磁場被在上ITO層中直接在其上方流動的返回電流的磁場抵消。

所述的原子氣室(5)放在磁屏蔽桶(6)內，磁屏蔽桶(6)由坡莫合金材料制成，利用坡莫合金高磁導率的特性，屏蔽外界的雜散磁場。

所述的原子氣室(5)充滿⁸⁷Rb和緩沖氣體。緩沖氣體是含有約11kPa的氬氣和21kPa的氖氣，其降低了⁸⁷Rb和原子氣室(5)內壁碰撞。原子氣室(5)生產后需在100℃溫度下退火30—40小時，這能有效抑制CPT共振頻率漂移。

所述磁力儀工作時，原子氣室(5)內為恒溫環境，且溫度為100℃～120℃，使得原子氣室(5)內有足夠的原子密度。