[發明專利]用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀及方法

在審

• 申請號: 202211346218.3
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115561682A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 劉思奇;盛東
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

本發明涉及一種用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀及方法，利用單光束共振吸收系統，對磁場進行高頻調制和鎖相探測，通過閉環反饋系統使磁力儀持續工作在最優靈敏度。本發明在原子池中放入兩對相互垂直的多反射腔，達到增大磁力儀信噪比和消除探測盲區的目的。基于引入多反射腔的氣池研制的原子磁力儀，在具有高靈敏度的同時，可在低工作溫度下探測弱磁場，具有更高的長期測量穩定性。

技術領域

本發明涉及原子器件領域，用于弱磁的高靈敏度高穩定性低溫矢量原子磁力儀及方法，利用兩對相互垂直的多反射腔提高靈敏度和降低工作溫度的高穩定性矢量原子磁力儀及方法。

背景技術

原子磁力儀作為一種精密磁場測量傳感器，在靈敏度和準確度方面具有突出優勢，又因無需超低溫制冷、易于小型化和低制作成本，已經在基礎物理研究、地磁學研究和生物醫學成像等領域發揮著重要作用。測量靈敏度是磁力儀重要性能指標之一，其大小主要取決于磁力儀系統的信噪比和相干時間，目前主要有以下幾種提高靈敏度的方法。一個是利用表面鍍抗弛豫膜的原子池，抑制原子與器壁的碰撞帶來的退相干效應，進而增大原子的相干時間；另一種方法是通過在原子池內加入多反射腔，增大光束與原子的相互作用距離，進而實現增大磁力儀信噪比的目的，在密集型Herriott多反射腔中，光束可以從前腔鏡的中心小孔入射，在前后腔鏡間經過多次反射，再從同一個小孔出射，實現小空間內增大光與原子的相互作用距離的目的，2011年，Romalis教授課題組首次將Herriott腔用于原子磁力儀中，得到了信噪比超過一個量級的提升；對于堿金屬原子來說，高溫無自旋交換弛豫(SERF)機理可以同時實現高原子數密度和抑制原子橫向極化馳豫，進而獲得超高的磁場測量靈敏度，由多個高溫SERF原子磁力儀組成的陣列已經在腦磁圖和心磁圖成像領域獲得廣泛應用。

在實際應用中，除靈敏度之外，長期測量穩定性是磁力儀的另一重要性能指標，尤其是在有不同時間的磁場測量結果精密比較的需求時。相對于高溫SERF機理，通過使用鍍膜和多反射腔的原子池，磁力儀可以工作在較低溫度，這將有助于維持一個更加穩定的測量系統，進而獲得更高的測量穩定性；相對于使用鍍膜原子池的磁力儀，由于含有多反射腔的原子池內充有緩沖氣體，這使得原子的吸收線寬被大幅度展寬，因此磁場測量結果對激光頻率穩定性具有更小的依賴性，更加便于磁力儀在實際應用中的推廣。

磁力儀對磁場的響應幅度與抽運光傳播方向和磁場方向之間的相對角度有一定依賴關系，對于單光束吸收測量系統來說，當磁場的方向平行于抽運光方向時，磁力儀對磁場不敏感，信號幅度變得非常微弱且靈敏度迅速下降，無法準確測量測場，這樣的區域稱之為探測盲區。探測盲區的存在，阻礙了磁力儀在應用上的推廣，因此消除探測盲區是磁力儀的重要改進措施之一。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種應用于弱磁探測的高靈敏度高穩定性的低溫矢量原子磁力儀及實現方法，通過在原子池中引入多反射腔的方法在提高靈敏度的同時，使原子磁力儀工作在低溫度下，獲得更高的長期測量穩定性；在75℃的工作溫度下，磁力儀具有約145nT的動態測量范圍，大的測量范圍是應用在弱磁場探測中的另一個優勢。利用簡單巧妙的閉環反饋實驗方案，在三軸同時閉環工作在“零”磁場時，靈敏度均可在0.1Hz處優于85fT/√Hz，在10Hz處優于45fT/√Hz，在3h測量時間內，不對激光做頻率鎖定和功率鎖定情況下，磁場測量穩定性均可優于1pT。