[發明專利]一種基于SERF的單光束反射式三軸磁場測量裝置

有效

• 申請號: 202110003022.3
• 申請日: 2021-01-04
• 公開（公告）號: CN112946539B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 周斌權;閆業廣;劉剛;陸吉璽;尹凱峰;王婧;梁子華
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02;G01R33/032
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 朱亞娜;吳小燦

本發明所述基于SERF的單光束反射式三軸磁場測量裝置，采用在堿金屬氣室的氣室主體上設置反射鏡，使所述激光器發出的入射抽運光與光電探測器接收到的反射抽運光相互垂直，當氣室內的堿金屬原子處在零磁環境下，其自旋矢量方向沿著入射抽運光和反射抽運光的傳播方向，不發生進動，激光的光強不發生變化；當在與入射抽運光或反射抽運光垂直方向上存在待測磁場時，氣室內的堿金屬原子自旋矢量將繞待測磁場進動，激光光強會隨之發生有規律的變化，所述光電探測器將該光強變化信號轉為電信號，所述鎖相放大器解調光電探測器中的電信號，分別得到X軸、Y軸和Z軸三個方向磁場對應的電壓信號，進而使用單光束完成三軸磁場的測量。

技術領域

本發明屬于SERF(Spin-Exchange?Relaxation-Free，無自旋交換弛豫)原子磁強計技術領域，具體涉及一種基于SERF的單光束反射式三軸磁場測量裝置。

背景技術

近年來，隨著量子理論和激光器技術的不斷發展，原子磁強計性能大幅提高，不斷突破測量精度極限，成為最精密的磁場儀器。現階段原子磁強計的細分種類繁多，其中SERF原子磁強計是目前低頻靈敏度最高的一種磁強計。經典單光束和雙光束SERF原子磁強計至多能實現雙軸磁場測量，無法實現抽運光方向磁場的測量。

現階段基于SERF的三軸矢量磁場測量的實現方案包括雙光束結構和/或多氣室結構的三軸矢量磁場測量方案以及低頻三軸調制式磁場測量方案等，均存在體積大、結構復雜、無法同時測量三軸磁場、靈敏度低等問題，限制了三軸矢量磁強計的使用與發展。

發明內容

本發明提供一種基于SERF的單光束反射式三軸磁場測量裝置，通過改變抽運光在氣室內部傳播方向，實現一束抽運光和一個堿金屬氣室就能同時進行三軸磁場的連續測量，結構簡單，且克服單光束SERF磁強計無法測量抽運光方向磁場的難題。

本發明技術方案如下：

一種基于SERF的單光束反射式三軸磁場測量裝置，包括堿金屬氣室，還包括對所述堿金屬氣室進行加熱的烤箱、對所述堿金屬氣室進行磁屏蔽的磁屏蔽桶、對所述堿金屬氣室附近的微弱磁場進行補償的信號發生器和三軸向磁線圈組、向所述堿金屬氣室發射入射抽運光的激光器，以及接收經所述堿金屬氣室射出的反射抽運光的光電探測器；所述堿金屬氣室、烤箱、磁線圈組、激光器以及光電探測器均放置于所述磁屏蔽桶的內部；還包括設于所述磁屏蔽桶外部的鎖相放大器，所述鎖相放大器與所述光電探測器相連，所述光電探測器將所述反射抽運光的光強變化信號轉為電信號，所述鎖相放大器解調所述光電探測器中的電信號，得到待測三軸磁場對應的電壓信號；所述堿金屬氣室包括氣室主體和氣柄，所述氣室主體內部或外部安裝有第零號反射鏡，所述第零號反射鏡使所述激光器發出的入射抽運光與光電探測器接受到的反射抽運光互相垂直。

作為優選，所述氣室主體形狀為直五棱柱，所述直五棱柱包括一個斜側面和四個相鄰且相互垂直的直角側面，所述斜側面與相鄰直角側面的夾角均為135°，所述氣室主體斜側面上設有第零號反射鏡，所述第零號反射鏡使所述激光器發出的入射抽運光與光電探測器接收到的反射抽運光相互垂直。所述第零號反射鏡優選設于所述氣室主體斜側面的外部。

作為優選，所述氣室主體形狀為長方體，優選為正方體，所述氣室內部安裝有第零號反射鏡，所述第零號反射鏡工作面與相鄰氣室側面的夾角均為135°，所述第零號反射鏡使所述激光器發出的入射抽運光與光電探測器接收到的反射抽運光相互垂直。

作為優選，所述三軸向磁線圈組包括X軸向磁線圈、Y軸向磁線圈和Z軸向磁線圈，所述信號發生器設于所述磁屏蔽桶外部，并向所述三軸向磁線圈組輸入高頻調制磁場。

作為優選，所述堿金屬氣室的內部包括高壓氮氣和氦氣，還包括鉀、銣、銫三種堿金屬中的一種或者兩種或者三種。