全光方案参数共振式的原子磁力仪和磁场探测方法

技术领域

本申请涉及光泵磁力仪技术领域，尤其涉及全光方案参数共振式的原子磁力仪和磁场探测方法。

背景技术

光泵磁力仪是一种利用光与原子相互作用来进行高灵敏度磁场测量的仪器，相比于以往的磁通门磁力仪与超导量子干涉磁力仪等装置，光泵磁力仪具有灵敏度高、没有长期漂移、读取磁场绝对数值、无需低温冷却装置等特点。光泵磁力仪现在已经广泛应用于地球物理、生物医学、基础物理、空间探测、核磁共振等各种科学研究领域。

零场原子磁力仪常见的工作方式有无自旋交换弛豫式，汉勒效应与参数共振式。其中无自旋交换弛豫磁力仪可以做到极高的灵敏度，但是需要高温加热的条件限制了其很多方面的应用，而汉勒效应与参数共振磁力仪的工作机制对温度条件没有硬性要求，可以做到低功耗和良好的环境适应性。

汉勒效应又称零场能级交叉效应。二十世纪初期，这种效应在原子激发态能级被发现，现象为一束频率与特定原子跃迁线共振的线偏振光入射到近零磁场中的原子气室后，原子气室产生的共振荧光会发生偏振度退化。后来人们发现原子基态能级也存在汉勒效应，而且基态汉勒效应的线宽相比于激发态汉勒效应的要窄很多，非常适合用来测量磁场，并且没有观察荧光的环节，只需要探测透射过原子气室的共振激光光强或偏振变化。随着外界准静磁场从零往上增加，透射过原子气室的线偏振光的偏振度会越来越差直到接近完全非偏振光，而且线偏振光的光强也会随之变化。如果把这个准静磁场，以零场为中心，对称地扫描它的幅度，就会从光电探测器得到一个汉勒效应共振峰。需要提到的是，利用圆偏振光泵浦原子也能够观察到汉勒效应。利用汉勒效应共振线型，人们可以将光电探测器测得的光强转换为外界磁场大小信息，从而进行磁探测。

1965年，法国学者Polonsky与Cohen-Tannoudji在汉勒效应的基础上施加一个失谐强射频场来获得共振线型，并命名为参数共振，由此开创了参数共振磁力仪。可以把参数共振现象理解为一种被“射频光子”缀饰(一种量子力学理论手法)后的汉勒效应，参数共振与汉勒效应有着密不可分的联系。参数共振磁力仪通过施加强射频调制，再配合锁相检测，可以将信号抬升到高频从而远离低频噪声，有利于磁力仪灵敏度的提升。参数共振的信号存在不同的阶数，每当静磁场所对应的原子拉莫尔频率等于射频场频率的整倍数时，都会出现参数共振峰，通常零阶(零磁场下的)参数共振峰是信号最大也是最常用的。与汉勒效应类似，参数共振磁力仪既可以用线偏振光泵浦原子也可以用圆偏振光泵浦原子。参数共振还可以分为横向参数共振和纵向参数共振，横向参数共振是射频场垂直于光极化轴方向施加，纵向参数共振是射频场平行于光极化轴方向施加。

为了增加测量带宽与动态范围，除了像汉勒效应一样用标定好的共振信号来换算待测磁场的这种开环工作模式外，参数共振磁力仪也可以工作在闭环模式。闭环模式下工作的参数共振磁力仪借助一个补偿线圈，利用参数共振信号奇数次谐波解调得到的色散线型当作闭环误差信号，将原子气室所感受到的磁场实时锁定到零场。通过读取补偿线圈的电流，就能够得到待测静磁场的大小。

闭环工作模式的难点是磁测结果中会引入额外的电流源噪声，系统对电流源性能参数的要求很高。传统的参数共振磁力仪虽然能够实现磁场测量，但是其中的射频线圈在多探头阵列中存在串扰问题，会干扰到相邻磁力仪探头，从而影响到磁探测结果。此外，由线圈产生的射频场在线圈尺寸小型化以后存在可观的磁场梯度，造成信号出现梯度展宽，会降低磁力仪的灵敏度。

发明内容

本申请提供全光方案参数共振式的原子磁力仪和磁场探测方法，以解决现有技术中射频线圈与真实射频场带来的串扰，影响磁场测量精度的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种全光方案参数共振式的原子磁力仪，包括：原子气室；共振泵浦光光路，包括第一激光器、第一偏振片和二分之一波片；其中，共振泵浦光光路用于提供共振泵浦光并对原子气室内的原子进行光泵浦，形成原子极化；失谐驱动光光路，包括第二激光器、声光调制器、第二偏振片和四分之一波片；其中，失谐驱动光光路用于提供失谐驱动光并为原子气室内的原子提供虚射频场；数据处理模块，包括光电探测器和锁相放大器；其中，数据处理模块用于接收从原子气室出射的共振泵浦光，并将共振泵浦光的光信号转换为电信号，解调电信号从而获得待测磁场。

为解决上述技术问题，本申请提出一种磁场探测方法，使用上述的全光方案参数共振式的原子磁力仪进行磁场探测，磁场探测方法包括：第一激光器生成共振泵浦光；共振泵浦光依次经过第一偏振片和二分之一波片后入射原子气室，并对原子气室内的原子进行光泵浦，形成原子极化；第二激光器生成失谐驱动光；失谐驱动光依次经过声光调制器、第二偏振片、和四分之一波片后入射原子气室，并为原子气室内的原子提供虚射频场；光电探测器接收从原子气室出射的共振泵浦光，并将共振泵浦光的光信号转换为电信号；锁相放大器解调电信号从而获得待测磁场。

本申请提出全光方案参数共振式的原子磁力仪和磁场探测方法，共振泵浦光和失谐驱动光与原子气室内的原子相互作用，形成参数共振磁测机制。通过锁相放大器解调从光电探测器上采集到的信号，换算成待测磁场信息。本申请具有共振线宽窄、灵敏度高、频率响应范围广的优点；不依赖于射频线圈与真实射频场，通过引入交变的失谐驱动光与原子相互作用来产生虚射频场，可移除传统参数共振式原子磁力仪中的射频线圈，解决射频线圈与真实射频场带来的问题，从而消除射频线圈串扰与射频场梯度展宽；同时也适用于各种原子。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请全光方案参数共振式的原子磁力仪一实施例的结构示意图；

图2是本申请磁场探测方法一实施例的流程示意图；

图3是本申请磁场探测方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供全光方案参数共振式的原子磁力仪和磁场探测方法进一步详细描述。

本申请提出一种全光方案参数共振式的原子磁力仪，请参阅图1，图1是本申请全光方案参数共振式的原子磁力仪一实施例的结构示意图，在本实施例中，全光方案参数共振式的原子磁力仪包括原子气室110、共振泵浦光光路120、失谐驱动光光路130和数据处理模块140。

共振泵浦光光路120可以包括第一激光器121、第一偏振片122和二分之一波片123；其中，共振泵浦光光路120用于提供共振泵浦光并对原子气室110内的原子进行光泵浦，形成原子极化。

第一激光器121用于产生共振于原子气室110内的原子跃迁线的共振泵浦光；其中，共振泵浦光用作泵浦光和探测光；共振泵浦光可以为线偏振光也可以为圆偏振光。

在本实施例中，第一偏振片122和二分之一波片123用于将共振泵浦光调整为线偏振态。进一步地，第一偏振片122用于调节共振泵浦光的线偏振性，二分之一波片123用于调节共振泵浦光的线偏振方向。

失谐驱动光光路130可以包括第二激光器131、声光调制器132、第二偏振片133和四分之一波片134；其中，失谐驱动光光路130用于提供失谐驱动光并为原子气室110内的原子提供虚射频场。

第二激光器131用于产生失谐于原子气室110内的原子跃迁线的失谐驱动光。

声光调制器132用于对失谐驱动光进行交变的强度调制；第二偏振片133和四分之一波片134用于将失谐驱动光调整为圆偏振态。进一步地，第二偏振片133用于调节失谐驱动光的线偏振性，四分之一波片134用于将失谐驱动光从线偏振光转换为圆偏振光。

数据处理模块140可以包括光电探测器141和锁相放大器142，数据处理模块140用于接收从原子气室110出射的共振泵浦光，并将共振泵浦光的光信号转换为电信号，解调电信号从而获得待测磁场。

原子气室110内设置有原子，例如碱金属原子、氦(

可选地，全光方案参数共振式的原子磁力仪还可以包括波长计150和信号发生器143。其中，波长计150可以用于监测共振泵浦光和失谐驱动光的波长；信号发生器143可以用于生成声光调制器132的调制信号与锁相放大器142的参考信号。

在如图1所示的实施例中，第一激光器121需要发出两路共振泵浦光，其中一路共振泵浦光入射波长计150以待观察，另一路共振泵浦光依次经过第一偏振片122和二分之一波片123后入射原子气室110；第二激光器131也需要发出两路失谐驱动光，其中一路失谐驱动光入射波长计150以待观察，另一路失谐驱动光依次经过声光调制器132、第二偏振片133和四分之一波片134后入射原子气室。

进一步地，为了方便计算与避免误差，可以设置共振泵浦光光路和失谐驱动光光路正交。其中，共振泵浦光光路的传播方向垂直于待测磁场方向；失谐驱动光光路的传播方向平行于待测磁场方向。

需要说明的是，参数共振磁力仪是一种矢量磁力仪，它可以具有单个敏感轴或三个敏感轴，敏感轴有固定的方向(相对于光路)。本案所述的是一种单轴磁力仪方案，也可以通过施加第二束失谐驱动光来构造成三轴矢量磁力仪。矢量磁力仪测量的是待测磁场在磁敏感轴方向上的投影的磁场大小，一般使用单轴矢量磁力仪的时候都是已知待测磁场方向的，例如人脑磁场主方向是由生物学已知的垂直于头皮方向。如果完全不知道待测磁场的方向，则在单轴测磁方案中当磁场读数的绝对值最大时，就说明当前磁力仪的磁敏感轴恰好在待测磁场的主方向上，而磁敏感轴是固定且已知的。

本实施例的全光方案参数共振式的原子磁力仪的工作原理如下：

由第一激光器121发出的共振泵浦光的其中一束经过第一偏振片122和二分之一波片123，形成一束偏振方向垂直于待测磁场方向的线偏振光。共振泵浦光的另一束被波长计150所接收，观察波长计150将共振泵浦光的波长调节至与原子跃迁线共振。线偏振共振泵浦光沿着磁场垂直方向入射原子气室110，与原子相互作用后使得原子被极化，然后透射出原子气室110，被光电探测器141所接收。

由第二激光器131发出的失谐驱动光的其中一束经过声光调制器132，第二偏振片133和四分之一波片134，形成一束强度调制的圆偏振光，其中声光调制器132受到来自信号发生器143的正弦幅度调制。失谐驱动光的另一束被波长计150所接收，观察波长计150将失谐驱动光的波长调节至与原子跃迁线失谐。强度调制的圆偏振失谐驱动光沿着待测磁场平行方向入射原子气室110，与原子相互作用后产生虚射频场，形成参数共振磁测机制。

从信号发生器143发出另一路频率相同的调制正弦波输入到锁相放大器142作为参考信号，同时，从光电探测器141中得到的交变电信号也输入到锁相放大器142，锁相放大器142进行解调得到参数共振信号从而计算出待测磁场的信息。

下面以基于氦(

1、选用的具体器件如下

第一激光器121和第二激光器131均为1083nm的光纤激光器，第一偏振片122和第二偏振片133均为中心波长为1083nm的偏振片，二分之一波片123的中心波长为1083nm，四分之一波片134的中心波长为1083nm。原子气室110为底面直径50mm，高70mm的圆柱体玻璃气泡，内部充氦(

2、工作过程和原理

由第一激光器121产生的1083nm激光光束定为共振泵浦光，共振泵浦光经过第一偏振片122和二分之一波片123，通过调节波片使其转变为偏振方向垂直于磁场方向的线偏振光。共振泵浦光的另一束由波长计150检测，观察波长计150来调节泵浦光波长使之与氦(

由第二激光器131产生的1083nm激光光束定为失谐驱动光，失谐驱动光经过声光调制器132，第二偏振片133和四分之一波片134，通过调节波片使其转变为圆偏振光。通过操纵信号发生器143产生频率为1.33kHz的5V正弦波调制信号输入到声光调制器132中，使失谐驱动光受到交变的强度调制。失谐驱动光的另一束由波长计150检测，观察波长计150来调节驱动光波长使之相对于氦(

综上，本实施例提出一种全光方案参数共振式的原子磁力仪，实现了以下有益效果：

1)用虚射频场代替真实射频场以实现参数共振磁测机制，是一种全光方案，无需使用射频线圈，能够消除相邻磁力仪探头中的射频线圈串扰问题；

2)虚射频场的磁场梯度相比于小型化线圈产生的真实射频场的磁场梯度要小很多，能有效减轻参数共振信号中的梯度展宽现象，因此能够获得更窄线宽的参数共振信号，从而提升磁力仪的灵敏度；

3)相比于一般的原子磁力仪来说具有更大的磁场测量带宽，通常在千赫兹级别，并且适用于多种原子，因此具有广泛的应用范围。

基于上述的全光方案参数共振式的原子磁力仪，本申请还提出一种磁场探测方法。请参阅图2，图2是本申请磁场探测方法一实施例的流程示意图，在本实施例中，磁场探测方法包括步骤S110～S160，各步骤具体如下：

S110：第一激光器生成共振泵浦光。

第一激光器生成第一初始激光并输入到波长计，利用波长计观察第一初始激光，将第一激光器生成的第一初始激光调节至与原子跃迁线共振状态，以生成共振泵浦光。

S120：共振泵浦光依次经过第一偏振片和二分之一波片后入射原子气室，并对原子气室内的原子进行光泵浦，形成原子极化。

调整第一偏振片至透射光强最大，然后再调整二分之一波片使共振泵浦光的偏振方向垂直于待测磁场；其中，第一偏振片用于调节共振泵浦光的线偏振性，二分之一波片用于调节共振泵浦光的线偏振方向。

S130：第二激光器生成失谐驱动光。

第二激光器生成第二初始激光并输入到波长计，利用波长计观察第二初始激光，将第二激光器生成的第二初始激光调节至与原子跃迁线失谐状态，以生成失谐驱动光。

S140：失谐驱动光依次经过声光调制器、第二偏振片、和四分之一波片后入射原子气室，并为原子气室内的原子提供虚射频场。

调整第二偏振片至透射光强最大，然后再调整四分之一波片使四分之一波片的光轴与第二偏振片的偏振轴呈45°；其中，声光调制器用于调制失谐驱动光的光强，第二偏振片用于调节失谐驱动光的线偏振性，四分之一波片用于将失谐驱动光从线偏振光转换为圆偏振光。

S150：光电探测器接收从原子气室出射的共振泵浦光，并将共振泵浦光的光信号转换为电信号。

S160：锁相放大器解调电信号从而获得待测磁场。

请参阅图3，图3是本申请磁场探测方法另一实施例的流程示意图，在本实施例中，磁场探测方法包括步骤S210～S260，各步骤具体如下：

S210：第一激光器生成共振泵浦光，共振泵浦光依次经过第一偏振片和二分之一波片后垂直于待测磁场方向入射原子气室。

S220：第二激光器生成失谐驱动光，失谐驱动光依次经过声光调制器、第二偏振片、和四分之一波片，形成圆偏振失谐驱动光。

S230：信号发生器发出一路调制正弦波输入到声光调制器，使得经过声光调制器的失谐驱动光受到强度调制。

S240：强度调制的圆偏振失谐驱动光平行于待测磁场方向入射到原子气室，与原子相互作用产生虚射频场，与垂直于待测磁场方向的共振泵浦光一起形成参数共振磁测机制。

S250：光电探测器接收从原子气室出射的共振泵浦光，并将共振泵浦光的交变光信号转换为交变电信号。

S260：从信号发生器发出的另一路频率相同的调制正弦波输入到锁相放大器作为参考信号，同时，从光电探测器中得到的交变电信号也输入到锁相放大器，锁相放大器进行解调得到参数共振信号并换算出待测磁场。

本申请提出全光方案参数共振式的原子磁力仪和磁场探测方法，共振泵浦光和失谐驱动光与原子气室内的原子相互作用，形成参数共振磁测机制。通过锁相放大器解调从光电探测器上采集到的信号，换算成待测磁场信息。本申请具有共振线宽窄、灵敏度高、频率响应范围广的优点；不依赖于射频线圈与真实射频场，通过引入交变的失谐驱动光与原子相互作用来产生虚射频场，可移除传统参数共振式原子磁力仪中的射频线圈，解决射频线圈与真实射频场带来的问题，从而消除射频线圈串扰与射频场梯度展宽；同时也适用于各种原子。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。文中所使用的步骤编号也仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。