一种磁场测量方法、系统、存储介质和电子设备

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种磁场测量方法、系统、存储介质和电子设备。

背景技术

光泵磁共振也是一种磁场测量技术，这种技术利用一束圆偏振光将原子制备到某一特定磁子能级，然后利用射频场使得原子布居在磁子能级间均匀分布，当射频场频率和磁子能级之间频率差相同时，射频场可以最大的将原子布居转移到其他磁子能级，然后圆偏振光继续将原子抽运到激发态，通过自发辐射回到基态，布居又将堆积在某一特定磁子能级，这一动态过程中当射频场频率和磁子能级之间频率差相同时，抽运光被吸收最多，光探测器将可以观察到最弱的透射光信号，这也可用于指示磁场大小信息。光泵磁共振技术一般只能给出磁场大小信息，无法直接得到磁场方向信息。光泵磁共振的光透射吸收峰信号也线宽较大，使得灵敏度受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种磁场测量方法、系统、存储介质和电子设备。

本发明的一种磁场测量方法的技术方案如下：

预设置左旋圆偏振光的频率和右旋圆偏振光的频率，使所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光耦合到放置在气室中的碱金属原子的基态和激发态的塞曼磁子能级；

同时调整所述左旋圆偏振光的频率和所述右旋圆偏振光的频率，产生电磁诱导吸收的现象；

根据所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光通过所述气室的第一透射光，确定所述碱金属原子的磁子能级间隔频率；

根据所述碱金属原子的磁子能级间隔频率，计算得到所述气室所在位置的磁场的大小；

将所述右旋圆偏振光的频率设置在固定频率，所述固定频率的大小与所述碱金属原子的基态的g

根据所述左旋圆偏振光通过所述气室的第二透射光，确定所述气室所在位置的磁场的方向。

本发明的一种磁场测量方法的有益效果如下：

利用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光来实现原子量子态的控制并在原子塞曼磁子能级中产生量子干涉效应即电磁诱导吸收的现象和电磁诱导透明的现象，且左旋圆偏振光的第二透射光会随与磁场方向之间的角度改变而改变，这样即可以测量外磁场的大小同时又提供了外磁场的方向信息，计算表明电磁诱导吸收的光透射峰线宽(半高全宽)可达到塞曼磁子能级间隔频率的十万分之六，这也将提供极高的磁场测量灵敏度。

本发明的一种磁场测量系统的技术方案如下：

包括预设置模块、第一调整模块、第一确定模块、计算模块、第二调整模块和第二确定模块；

所述预设置模块用于：预设置左旋圆偏振光的频率和右旋圆偏振光的频率，使所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光耦合到放置在气室中的碱金属原子的基态和激发态的塞曼磁子能级；

所述第一调整模块用于：同时调整所述左旋圆偏振光的频率和所述右旋圆偏振光的频率，产生电磁诱导吸收的现象；

所述第一确定模块用于：根据所述左旋圆偏振光和所述右旋圆偏振光通过所述气室的第一透射光，确定所述碱金属原子的磁子能级间隔频率；

所述计算模块用于：根据所述碱金属原子的磁子能级间隔频率，计算得到所述气室所在位置的磁场的大小；

所述第二调整模块用于：将所述右旋圆偏振光的频率设置在固定频率，所述固定频率的大小与所述碱金属原子的基态的g

所述第二确定模块用于：根据所述左旋圆偏振光通过所述气室的第二透射光，确定所述气室所在位置的磁场的方向。

本发明的一种磁场测量系统的有益效果如下：

利用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光来实现原子量子态的控制并在原子塞曼磁子能级中产生量子干涉效应即电磁诱导吸收的现象和电磁诱导透明的现象，且左旋圆偏振光的第二透射光会随与磁场方向之间的角度改变而改变，这样即可以测量外磁场的大小同时又提供了外磁场的方向信息，计算表明电磁诱导吸收的光透射峰线宽(半高全宽)可达到塞曼磁子能级间隔频率的十万分之六，这也将提供极高的磁场测量灵敏度。

本发明的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一项所述的一种磁场测量方法。

本发明的一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。

附图说明

图1为本发明实施例的一种磁场测量方法的流程示意图；

图2为光及磁场与原子气室内原子气体作用示意图；

图3为铷原子与圆偏振光作用示意图；

图4为GLPC和GRPC的吸收曲线的示意图之一；

图5为GLPC和GRPC的吸收曲线的示意图之二；

图6为GLPC和GRPC的吸收曲线的示意图之三；

图7为GLPC和GRPC的吸收曲线的示意图之四；

图8为GLPC和GRPC的吸收曲线的示意图之五；

图9为GLPC和GRPC的吸收曲线的示意图之六；

图10为系统装置图；

图11为左旋偏振光和右旋圆偏振光与铷87原子能级作用原理图；

图12为本发明实施例的一种磁场测量系统的结构示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的一种磁场测量方法，包括如下步骤：

S1、预设置左旋圆偏振光的频率和右旋圆偏振光的频率，使左旋圆偏振光和右旋圆偏振光耦合到放置在气室中的碱金属原子的基态和激发态的塞曼磁子能级；

其中，碱金属原子为铷原子或铯原子，碱金属原子以碱金属铷87原子为例进行说明，铷87原子的基态为

S2、同时调整左旋圆偏振光的频率和右旋圆偏振光的频率，产生电磁诱导吸收的现象，具体地：

减小左旋圆偏振光的频率，并同时增加右旋圆偏振光的频率，当左旋圆偏振光的频率减小到等于基态的g

S3、根据左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过气室的第一透射光，确定碱金属原子的磁子能级间隔频率，具体地：

左旋和右旋圆偏振光产生电磁诱导吸收时，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过气室的第一透射光会有一个吸收峰这个吸收峰可由光电探测器观测到，由这个吸收峰所对应的左旋和右旋圆偏振光的频率就可以确定碱金属原子的磁子能级间隔频率；

S4、根据碱金属原子的磁子能级间隔频率，计算得到气室所在位置的磁场的大小，具体地：

根据塞曼效应，磁子能级间隔频率由外磁场大小决定，由此计算得到气室所在位置的磁场的大小。

S5、将右旋圆偏振光的频率设置在固定频率，固定频率的大小与碱金属原子的基态的g

其中，磁场的大小计算得到传输频率即为碱金属原子的基态的g

S6、根据左旋圆偏振光通过气室的第二透射光，确定气室所在位置的磁场的方向。具体地：

右旋圆偏振光的电磁诱导透明的现象可由右旋圆偏振光从原子气室通过的透射光增强峰观测，左旋圆偏振光的电磁诱导吸收的现象可由左旋圆偏振光从原子气室通过的透射光吸收峰观测。增强峰对应透射光信号增强，吸收峰对应透射光信号减弱。那么：

根据左旋圆偏振光通过气室的第二透射光，就能够确定气室所在位置的磁场的方向。左旋圆偏振光通过气室的第二透射光吸收峰峰值与光的电极化矢量平面和静磁场方向之间的夹角

利用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光来实现原子量子态的控制并在原子塞曼磁子能级中产生量子干涉效应即电磁诱导吸收的现象和电磁诱导透明的现象，且左旋圆偏振光的第二透射光会随与磁场方向之间的角度改变而改变，这样即可以测量外磁场的大小同时又提供了外磁场的方向信息，计算表明电磁诱导吸收的光透射峰线宽(半高全宽)可达到塞曼磁子能级间隔频率的十万分之六，这也将提供极高的磁场测量灵敏度。

可选地，在上述技术方案中，S3中，根据左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过气室的第一透射光，确定碱金属原子的磁子能级间隔频率，包括：

S30、利用光电探测器探测第一透射光，得到第一透射光对应的电信号，具体地：

将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的频率开始设置在碱金属原子基态和激发态磁子能级的零零传输频率

S31、根据第一透射光对应的电信号，确定第一透射光的吸收峰；

S32、根据第一透射光的吸收峰所对应的左旋圆偏振光的频率和右旋圆偏振光的频率，确定碱金属原子的磁子能级间隔频率。

可选地，在上述技术方案中，S6中，根据左旋圆偏振光通过气室的第二透射光，确定气室所在位置的磁场的方向，包括：

S60、利用光电探测器探测第二透射光，得到第二透射光对应的电信号，具体地：

把右旋圆偏振光的频率设置在原子的基态到激发态

S61、根据第二透射光对应的电信号，确定第二透射光的吸收峰；

S62、根据第二透射光的吸收峰的峰值，确定气室所在位置的磁场的方向，具体地：

磁场和圆偏振光电矢量极化平面夹角减小时，左旋圆偏振光电磁诱导吸收现象增强，因此左旋圆偏振光经过气室后被吸收更多，这样光探测器测得的左旋圆偏振光第二透射光吸收峰幅值也越大，因此，根据第二透射光的吸收峰的峰值大小，确定气室所在位置的磁场的方向。

可选地，在上述技术方案中，碱金属原子为铷原子或铯原子。

测量原理如下：

其中，碱金属原子为铷原子或铯原子等，以铷原子为例进行说明，如图2所示，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光耦合铷原子，一般为铷87原子，具体为

图2中，中间圆柱体表示原子气室，xoz平面表示电场矢量旋转平面。y轴表示光传播方向。表示外磁场。表示外磁场和电场矢量平面之间的夹角。是电场矢量分解后的线偏振分量。是电场矢量分解后的圆偏振分量。

图2中，以气室的中心点为坐标原点o，建立三维坐标系，三维坐标系的y轴表示左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的传播方向，xoz平面即圆圈所示位置：表示圆偏振光电场矢量旋转平面，

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光沿同一方向传播，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的电场振幅相同均为E，如图2所示，将圆偏振光重新分解为线偏振光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，由此得到左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，用符号σ

上述关于左旋圆偏振光σ

为便于研究，将总的左旋圆偏振光E

铷原子的基态的塞曼子能级间隔频率用δ表示，激发态的塞曼子能级间隔频率用δ/3表示。考虑Clebsch-Gordan效应即C-G效应后，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光、线偏振光各跃迁的Rabi频率如下表1所示。

表1：

如图3所示，其中Ω

相互作用绘景下系统的主方程为：

1)

2)

3)

4)

5)

6)

其中

其中，N表示原子气室中铷87原子气体密度，

上式中imag表示求表达式计算结果的虚部。上式表示左和右圆偏振光经过原子气室时被吸收的系数和这个虚部成正比。首先假设失谐量Δ

图4表示总的左旋圆偏振光(GLPC)和总的右旋旋圆偏振光(GRPC)经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，Rabi频率为

图4中，左旋(LCPL)和右旋圆偏振光(RCPL)经过原子气室时被吸收的系数随光的失谐量即光的频率变化的曲线，当Δ

图5表示GLPC和GRPC经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，

图5中，图5左旋(LCPL)和右旋圆偏振光(RCPL)经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，光的Rabi频率为

失谐量Δ

由可测得磁子能级间隔，这样就可以将Δ

图6表示GLPC和GRPC经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，

图6中，为左旋(LCPL)和右旋圆偏振光(RCPL)经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，其中右旋圆偏振光的失谐量Δ

图7表示GLPC和GRPC经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，

图7为左旋(LCPL)和右旋圆偏振光(RCPL)经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，其中右旋圆偏振光的失谐量Δ

图8表示GLPC和GRPC经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，

图8中为左旋(LCPL)和右旋圆偏振光(RCPL)经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，其中右旋圆偏振光的失谐量Δ

图9表示GLPC和GRPC经过原子气室时的吸收系数随光的失谐量(光频率)变化的曲线，

图9中对于图9(a)和(b)，Rabi频率是G＝0.1。对于图9(c)和(d)Rabi频率是G＝0.3。和图8相比，我们可以看见图9中电磁诱导吸收信号显著增强。这可从GLPC和LPL光成份被加强了的角度去理解。图9中极端窄线宽的电磁诱导吸收信号将对外磁场的变化提供高的灵敏度，可用于弱外磁场的精密测量。

通过研究两束左旋圆偏振光和右旋圆偏振光和铷87原子相互作用，给出了一种利用电磁诱导吸收和电磁诱导透明量子干涉效应测量弱磁场的方案。有两种方法，第一种让左旋和右旋圆偏振光的频率同时改变将可以观察到电磁诱导吸收现象。光的吸收峰线宽极窄，达到磁子能级频率间隔的十万分之六，这将提供极高的外磁场测量灵敏度。第二种方法让右旋圆偏振光耦合到

通过另外一个实施例，对本申请的一种磁场测量方案进行说明，包括：

S100、用两束左旋圆偏振光和右旋圆偏振光耦合铷87原子

S101、同时调整左旋圆偏振光和右旋圆偏振光频率，方法是增大左旋圆偏振光的频率和减小右旋圆偏振光的频率，当Δ

S102、由S101可以确定磁子能级间隔频率，这样可以把右旋圆偏振光的频率设置在

光的吸收测量，可将透射光分为两条光路后，由两个光探测器分别检测左旋和右旋圆偏振光的吸收情况。圆偏振光的检验可以用线偏振片和四分之一波片组合来实现，如图10所示。图10中，坐标系中间圆柱体为铷原子气室，xoz坐标平面为光的电场矢量旋转平面。y轴表示光的传播方向。

电磁诱导透明和电磁诱导吸收是量子干涉效应，可应用于量子精密测量如原子磁力仪设备中磁场的精密测量。通常在电磁诱导透明等光学实验中为了制备原子的量子相干态需要两束不同频率的激光将原子布居在不同能级形成基态能级相干或者激发态能级相干，在应用于磁场测量时，通常是固定一束激光频率而扫描另外一束激光频率，当激光频率与塞曼磁子能级形成共振时可以在原子磁子能级间形成量子相干态，这样导致的量子相消干涉效应将使得原子介质对光的吸收减弱甚至不吸收，由光探测器可观察一透射峰，这样就指示了磁子能级的间隔，从而可以推算出外磁场的大小。通常基于电磁诱导透明效应的磁场测量只是反映了磁场的大小，如果需要测量磁场的方向则需要多探头或者更为复杂的技术。

在量子光学和量子信息技术实验中，量子干涉效应是一种重要的资源，在物理精密测量等领域有重要的应用价值。本申请利用两束左旋和右旋圆偏振光作用于铷87原子

现有技术制备原子量子干涉效应比如电磁诱导效应使用多束不同频率的激光，耦合原子的不同能级，当光与原子能级共振时，在原子能级中制备得到相干态，从而使得电子跃迁发生量子干涉相消效应，得到出射光的透射峰以指示外磁场的大小，通常这只能得到磁场的大小信息，无法直接指示磁场的方向。光泵磁共振技术是利用光泵浦得到原子能态的偏极化态后，用射频场来转移原子布居，当射频场和原子磁子能级共振时得到最大的原子布居转移效果从而泵浦光的吸收也达到最强，以此来指示外磁场大小。并未用到量子干涉效应，外磁场测量的灵敏度受到光透射峰线宽的限制且同样无法直接得到外磁场的方向信息。

本方明利用两束左旋和右旋圆偏振激光来实现原子量子态的控制并在原子塞曼磁子能级中产生量子干涉效应，在一些光传输的角度下对这两束光可同时观察到电磁诱导吸收和电磁诱导透明效应，且光透射峰会随光与磁场方向的角度改变而改变，这样即可以测量外磁场的大小同时又提供了外磁场的方向信息，计算表明电磁诱导吸收的光透射峰线宽(半高全宽)可达到塞曼磁子能级间隔频率的十万分之六，这也将提供极高的磁场测量灵敏度。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图12所示，本发明实施例的一种磁场测量系统200，包括预设置模块210、第一调整模块220、第一确定模块230、计算模块240、第二调整模块250和第二确定模块260；

预设置模块210用于：预设置左旋圆偏振光的频率和右旋圆偏振光的频率，使左旋圆偏振光和右旋圆偏振光耦合到放置在气室中的碱金属原子的基态和激发态的塞曼磁子能级；

第一调整模块220用于：调整左旋圆偏振光的频率和右旋圆偏振光的频率，产生电磁诱导吸收的现象；

第一确定模块230用于：根据左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过气室的第一透射光，确定碱金属原子的磁子能级间隔频率；

计算模块240用于：根据碱金属原子的磁子能级间隔频率，计算得到气室所在位置的磁场的大小；

第二调整模块250用于：将右旋圆偏振光的频率设置在固定频率，固定频率的大小与碱金属原子的基态的g

第二确定模块260用于：根据左旋圆偏振光通过气室的第二透射光，确定气室所在位置的磁场的方向。

利用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光来实现原子量子态的控制并在原子塞曼磁子能级中产生量子干涉效应即电磁诱导吸收的现象和电磁诱导透明的现象，且左旋圆偏振光的第二透射光会随与磁场方向之间的角度改变而改变，这样即可以测量外磁场的大小同时又提供了外磁场的方向信息，计算表明电磁诱导吸收的光透射峰线宽(半高全宽)可达到塞曼磁子能级间隔频率的十万分之六，这也将提供极高的磁场测量灵敏度。

可选地，在上述技术方案中，第一确定模块230具体用于：

利用光电探测器探测第一透射光，得到第一透射光对应的电信号；

根据第一透射光对应的电信号，确定第一透射光的吸收峰；

根据第一透射光的吸收峰所对应的左旋圆偏振光的频率和右旋圆偏振光的频率，确定碱金属原子的磁子能级间隔频率。

可选地，在上述技术方案中，第二确定模块260具体用于：

利用光电探测器探测第二透射光，得到第二透射光对应的电信号；

根据第二透射光对应的电信号，确定第二透射光的吸收峰；

根据第二透射光的吸收峰的峰值，确定气室所在位置的磁场的方向。

可选地，在上述技术方案中，碱金属原子为铷原子或铯原子。

上述关于本发明的一种磁场测量系统200中的各参数和各个单元模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种磁场测量方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

本发明实施例的一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取指令时，使计算机执行上述任一项的一种磁场测量方法。

本发明实施例的一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，处理器执行存储介质中的指令，其中，电子设备可以选用电脑、手机等。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。

因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。