[發明專利]一種用于磁光雙共振磁力儀的原子磁傳感器

在審

• 申請號: 202010793088.2
• 申請日: 2020-08-07
• 公開（公告）號: CN114062983A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 郭弘;彭翔;王賀;王海東
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032;G01R33/00
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 陳旭紅;晏靜文

本發明公開了一種用于磁光雙共振磁力儀的原子磁傳感器，包括：偏振波片、電控偏振調節組件、原子氣室、第一交變磁場線圈、第二交變磁場線圈及光電探測器；所述偏振波片使激光光束變為線偏振光；所述電控偏振調節組件用于調節線偏振光的偏振方向；所述原子氣室處于所述第一交變磁場線圈和所述第二交變磁場線圈產生的總交變磁場中；通過控制所述電控偏振調節組件、所述第一交變磁場線圈和所述第二交變磁場線圈，使所述線偏振光的偏振方向與所述總交變磁場的方向保持平行，且均與待測磁場方向保持垂直，從而消除磁光雙共振磁力儀的方向誤差及測量盲區。

技術領域

本發明涉及原子磁傳感器，特別涉及一種能夠消除磁光雙共振磁力儀中由于磁傳感器相對于待測磁場的方向變化所導致的方向誤差及測量盲區問題。

背景技術

磁力儀是對測量外界磁場大小的儀器的統稱，具有高探測靈敏度的磁力儀被廣泛的使用在生物醫學、地球物理以及軍事國防等領域。光泵原子磁力儀是目前發展最成熟的高靈敏度磁力儀之一，其中，激光由于單色性好、選擇特性優良等優勢，利用其作為磁力儀的光源，能夠極大程度地提升磁力儀系統的性能指標，因而成為國內外的研究熱點。

光泵原子磁力儀實現磁場測量的基本原理如下：在一定大小的外磁場下，原子的能級會產生分裂，分裂成一系列等距離分布的磁子能級，相鄰磁子能級之間的頻率間隔正比于外磁場的大小。傳統的激光光泵原子磁力儀即通過不同的方式得到包含有磁場信息的磁共振信號，利用該信號得到相鄰磁子能級之間的頻率間隔，進而實現對外磁場大小的測量。

光泵原子磁力儀系統主要由三個模塊構成，分別為激光光源模塊、原子磁傳感器模塊、磁共振信號檢測模塊。對于不同種類的光泵原子磁力儀，上述三個模塊分別具有不同的結構。本發明主要針對基于磁光雙共振方式的光泵原子磁力儀(以下簡稱磁光雙共振磁力儀)，即系統施加交變磁場誘導磁共振信號，通過測量經過原子氣室后激光的光強來實現磁場測量功能的光泵原子磁力儀。

傳統的磁光雙共振磁力儀，其內部三個模塊的具體組成及功能簡述如下：1)激光光源模塊：該模塊主要包括激光光源，產生用于光泵浦和探測的激光；2)原子磁傳感器模塊：該模塊內部主要包括光束準直系統(用于控制激光光束的大小以及發散情況)、光學系統(包括若干光學元器件，用于對激光的偏振狀態進行控制)、原子氣室(一般為充有一定原子氣體的玻璃泡)、交變磁場線圈(產生交變磁場)以及光電探測元件(用于探測經過原子氣室后的激光光信號，并將光信號轉換為電信號輸出)，激光光源模塊產生的激光光束經過光束準直系統進行擴束、準直后，經過光學偏振元件，轉化為具有一定偏振狀態的光束，如圓偏振光或線偏振光，偏振光再入射原子氣室，與原子氣室內部的原子、以及交變磁場線圈產生的交變磁場進行相互作用，透射出原子氣室，被置于原子氣室后面的光電探測元件探測，將光信號轉化為電信號輸出至磁共振信號檢測模塊；3)磁共振信號檢測模塊：其內部主要包括磁共振信號處理模塊(用于對光電探測元件輸出的電信號進行處理，如濾波、放大、鑒相等)、信號發生模塊(用于產生頻率、幅值可調的頻率調制信號)、信號控制模塊(根據處理后的磁共振信號，控制頻率調制信號的頻率或幅值)、磁探測結果顯示模塊(用于顯示磁場探測結果)，原子磁傳感器模塊將轉化后的包含有待測磁場信號的磁共振電信號輸入至磁共振信號處理模塊，利用其內部的濾波、放大、鎖相、鑒相等信號處理功能，實現磁共振信號的提取，信號發生模塊產生載波頻率可調的頻率調制信號，輸入至交變磁場線圈，產生頻率調制的交變磁場，信號控制模塊則通過提取的磁共振信號，利用其內部的反饋控制系統，對輸出的調制信號的頻率及幅值進行控制及鎖定，并將鎖定后的頻率值換算為磁場值進行顯示輸出。

光泵原子磁力儀實現磁場測量，需要保證磁力儀能夠與外磁場之間滿足一定的夾角關系，磁光雙共振磁力儀也是如此。如果夾角關系不滿足，一方面會減小磁共振信號的幅值，在某些情況下，甚至探測不到磁共振信號(即探測盲區)，系統則無法正常工作。另外，即使外磁場不變，夾角的改變也會改變磁場的探測結果(即方向誤差)。因此，減小由于磁傳感器相對于待測磁場的方向變化所導致的方向誤差及測量盲區問題，對提高磁光雙共振磁力儀在運動平臺下的探測性能指標，具有重要意義。

發明內容