[發(fā)明專利]三軸矢量磁場(chǎng)探測(cè)方法和探測(cè)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110015793.4
• 申請(qǐng)日: 2021-01-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112816920B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭弘;彭翔;吳騰;肖偉;吳玉龍;張相志
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R33/02
• 分類號(hào): G01R33/02;G01R33/032
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司 44202
• 代理人: 陳旭紅;晏靜文

本申請(qǐng)公開(kāi)三軸矢量磁場(chǎng)探測(cè)方法和探測(cè)裝置，其中三軸矢量磁場(chǎng)探測(cè)方法包括提供一束激光；對(duì)原子氣室的三個(gè)方向施加不同頻率的調(diào)制磁場(chǎng)；將激光調(diào)整為圓偏振光，使圓偏振光入射原子氣室、經(jīng)反射鏡反射后、再次通過(guò)原子氣室后射出，得到出射激光；測(cè)量出射激光的光功率信號(hào)，并根據(jù)調(diào)制磁場(chǎng)對(duì)出射激光的光功率信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以得到待測(cè)磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)三個(gè)方向的磁場(chǎng)信息。通過(guò)上述方式，本申請(qǐng)的圓偏振光在原子氣室中形成相交光路的磁敏感區(qū)域，相交光路的磁敏感區(qū)域的探測(cè)盲區(qū)相互互補(bǔ)，從而可以實(shí)現(xiàn)全方向的三軸矢量磁場(chǎng)探測(cè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及量子信息領(lǐng)域的磁場(chǎng)信號(hào)探測(cè)，尤其涉及三軸矢量磁場(chǎng)探測(cè)方法和探測(cè)裝置。

背景技術(shù)

電磁場(chǎng)廣泛存在于日常生活中，大至宇宙天體，小至原子分子都存在著自身的磁場(chǎng)。通過(guò)探測(cè)物體周圍的磁場(chǎng)，我們可以推測(cè)物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組成或是外部的磁場(chǎng)變化，從而了解物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性質(zhì)或外部的環(huán)境信息。磁力儀是測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的儀器的統(tǒng)稱，Cal Friedrich Gauss于1833年發(fā)明了第一臺(tái)磁力儀，之后磁力儀從傳統(tǒng)的礦業(yè)、石油行業(yè)的應(yīng)用逐漸發(fā)展至高精尖的航空磁測(cè)、生物磁測(cè)、基礎(chǔ)物理研究等應(yīng)用中。

目前，常用于弱磁場(chǎng)、特別是地磁場(chǎng)測(cè)量的磁力儀，無(wú)論是地磁臺(tái)站的觀測(cè)或野外地面磁測(cè)、航空、航天、海洋和井中磁測(cè)，從磁力儀的工作原理上大致可分為三大類，即：基于電磁感應(yīng)原理的磁通門(mén)磁力儀、基于原子與電磁場(chǎng)相互作用的光泵磁力儀、基于超導(dǎo)量子干涉原理的超導(dǎo)磁力儀。

根據(jù)磁力儀的特點(diǎn)，有的磁力儀只能測(cè)定磁場(chǎng)的大小，其測(cè)量結(jié)果與磁力儀的姿態(tài)無(wú)關(guān)，對(duì)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)不敏感，稱為標(biāo)量磁力儀。而有的可以同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向，能夠獲得更多的磁場(chǎng)信息，可以實(shí)現(xiàn)更精確的磁源定位，稱為矢量磁力儀。

對(duì)于三軸矢量磁場(chǎng)的探測(cè)，可以采用磁通門(mén)磁力儀或超導(dǎo)磁力儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，磁通門(mén)磁力儀或超導(dǎo)磁力儀都有各自的缺點(diǎn)。磁通門(mén)磁力儀或超導(dǎo)磁力儀都是測(cè)量通過(guò)線圈的磁通量來(lái)探測(cè)磁場(chǎng)，目前，超導(dǎo)量子干涉儀(superconducting quantum interferencedevice，SQUID)是靈敏度最高的磁力儀之一，其基本原理是基于超導(dǎo)隧道效應(yīng)和磁通量子化。雖然SQUID靈敏度很高，但是SQUID工作需要液氦來(lái)維持極低的溫度，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高昂且不易縮小體積。相比SQUID，磁通門(mén)磁力儀適用范圍比較廣泛且小巧便攜。磁通門(mén)磁力儀的基本原理是基于鐵芯材料的非線性磁化特性，其敏感元件為高磁導(dǎo)率、易飽和材料制成的鐵芯，通過(guò)特定的檢測(cè)電路將外界磁場(chǎng)信號(hào)從圍繞在鐵芯上的感應(yīng)線圈中提取出來(lái)。其靈敏度與準(zhǔn)確度不高。

對(duì)于三軸矢量磁場(chǎng)的探測(cè)，也可以采用光泵磁力儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。與上述兩種磁力儀相比，光泵磁力儀具有更好的靈敏度和準(zhǔn)確度。對(duì)基于原子和磁場(chǎng)相互作用的光泵磁力儀，原子自旋極化的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程通常可用Bloch方程描述，如式(1)所示：

以典型的磁共振式光泵磁力儀為例，式(1)中磁場(chǎng)B由待測(cè)磁場(chǎng)B_x，B_y，B_z和調(diào)制磁場(chǎng)B₁sinωt組成。通過(guò)求解該Bloch方程可知，當(dāng)調(diào)制頻率ω＝γB₀時(shí)，極化率P會(huì)產(chǎn)生同頻的共振，其中B₀為待測(cè)磁場(chǎng)的大小。因此基于這一共振可以較容易地實(shí)現(xiàn)待測(cè)磁場(chǎng)大小B₀的測(cè)量，此時(shí)該光泵磁力儀體現(xiàn)為標(biāo)量磁力儀。實(shí)現(xiàn)標(biāo)量測(cè)量的光泵磁力儀類型有M_x磁力儀，M_z磁力儀以及Bell-Bloom磁力儀。但是對(duì)于三軸矢量磁場(chǎng)B_x，B_y，B_z而言，由于三者相互之間存在非線性耦合，因此難以直接進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量。如何分離出三軸矢量磁場(chǎng)各自的信息，是基于光泵磁力儀探測(cè)三軸矢量磁場(chǎng)所要解決的難題。

由于光泵磁力儀通常對(duì)沿著光傳播方向的磁場(chǎng)相對(duì)不敏感，且各個(gè)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度之間存在非線性耦合、環(huán)境噪聲以及電路低頻噪聲的影響，如果直接進(jìn)行三軸矢量磁場(chǎng)的獨(dú)立測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度不高，存在嚴(yán)重誤差。