CN105301541A - 原子磁强计的磁线圈x、y轴非正交角的测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提出一种适用于SERF原子磁强计的鞍型线圈X、Y轴非正交角的测量装置与方法，属于光学检测、弱磁探测及均匀磁场线圈技术领域。本发明针对三维磁线圈非正交性影响SERF原子自旋磁强计灵敏度这一问题，提出基于Bloch动力学方程的鞍型线圈X、Y轴非正交角的测量方法与装置。本发明填补原子磁强计的鞍型线圈X、Y轴非正交角的测量方法与装置的空白，为原子磁强计估算和补偿磁场偏差值提供有效参考，并为提升SERF原子磁强计灵敏度提供保障。

Description

原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置与方法

技术领域

本发明涉及一种适用于SERF原子磁强计的鞍型线圈X、Y轴非正交角的测量方法与装置，属于光学检测、弱磁探测及均匀磁场线圈技术领域。

背景技术

无自旋交互弛豫(SpinExchangeRelaxationFreeRegime，SERF)原子自旋磁强计(以下简称原子磁强计)具有极高的理论灵敏度，可广泛应用于多学科领域研究，因此，它已成为国内外学者争先研制的项目。到目前为止，普林斯顿大学的Romalis小组已成功实现160aT/Hz^1/2的磁场测量灵敏度，这是人类实现的最高磁场测量灵敏度，至此，原子磁强计的性能已远超超导量子干涉磁强计的性能。

原子磁强计是以超精细能级原子跃迁为基础，工作在弱磁环境下的磁场测量装置，它由多部件组成，其中，三维磁线圈是其重要构件之一。对于原子磁强计来说，三维磁线圈主要有两方面用途：一是补偿磁屏蔽桶内部的残余磁场；二是用于产生标定信号。在原子磁强计中，常用的三维磁线圈主要有两种类型—亥姆赫兹线圈以及鞍型线圈。一组亥姆赫兹线圈是由两个半径和匝数完全一致的线圈同轴排列且间距等于线圈半径串联而成的，三维亥姆赫兹线圈则是由三组这样的线圈相互垂直分布对构成的。然而，三维亥姆赫兹线圈的自身结构导致其体积较为庞大，不适用于小型化、集成化的原子磁强计。鞍型线圈是在圆柱体骨架的轴线方向放置多对圆形线圈，而在柱体表面相互垂直的两方向分别放置两对尺寸和匝数相同的马鞍型线圈。通常在使用过程中，我们将鞍型线圈骨架的轴向定义为z方向，而将柱面上的两对相互垂直放置的马鞍型线圈方向分别定义为x和y方向。

与亥姆赫兹线圈相比，鞍型线圈具有体积小，磁场均匀区大等明显优势。因此，在原子磁强计中，鞍型线圈正在逐步取代亥姆赫兹线圈。尽管如此，由于自身结构所致使得鞍型线圈在机加工过程中很难确保正交性，尤其是X和Y方向的正交性。而这种非正交性直接影响磁场测量灵敏度，因此，必须准确测量出X和Y方向非正交角，以便为估算和补偿磁场偏差值提供依据，并为精确测算原子磁强计灵敏度提供基础。

为解决上述问题，本发明提出一种适合于SERF原子磁强计的鞍型线圈X、Y轴非正交角的测量方法与装置。本方法仅依赖于原子磁强计的动力学方程和原子磁强计装置本身，而不依赖于任何额外的仪器和设备。本发明可以为原子磁强计估算和补偿磁场偏差值提供有效参考。

发明内容

发明目的：为了填补SERF原子磁强计的三维磁线圈的X、Y轴非正交角的测量装置与方法的空白，本发明立足于原子磁强计动力学方程，提出一种适合原子磁强计的三维磁线圈的X、Y轴非正交角的测量装置与方法，本发明将为提升SERF原子自旋磁强计灵敏度提供保障。

技术方案：原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置，包括碱金属气室、用于对碱金属气室加热的无磁电加热装置、用于屏蔽外界磁场的磁屏蔽桶、用于产生直流或交变磁场的三维磁线圈、抽运光源系统以及检测光源系统；

所述碱金属气室位于原子磁强计的中心位置，其内部封装有碱金属原子，其外部从内而外依次包围着无磁电加热装置、三维磁线圈与磁屏蔽桶；

所述抽运光源系统产生沿Z轴方向传播的抽运激光，所述检测光源系统产生沿X方向传播的检测激光，所述抽运激光与所述检测激光正交于所述碱金属气室的中心位置。

进一步地，所述检测光源系统包括检测激光器，所述检测激光器发出的检测激光依次经过第一反射镜、确保检查激光光轴可调的波片、将通过的激光变为偏振光的第一起偏器、Faraday调制器后穿过所述碱金属气室与抽运激光正交后，再依次经过另一个第一起偏器、光电探测器、解调信号用的锁相放大器，最后由示波器输出检测结果。

进一步地，所述抽运光源系统包括抽运激光器，所述抽运激光器发出的抽运激光依次经第二反射镜、扩束镜、第二起偏器以及将抽运激光变为圆偏振光的波片后进入所述碱金属气室。

进一步地，所述碱金属气室内封装的碱金属原子里混合有惰性气体与缓冲气体。

进一步地，所述无磁电加热装置与三维磁线圈之间还夹有小真空系统。

进一步地，所述三维磁线圈可以为三维鞍形磁线圈或亥姆赫兹磁线圈。

原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量方法，测量步骤为：

步骤一：布置光路并对光路进行调节，使所述抽运光源系统产生抽运激光与所述检测光源系统产生的检测激光正交于所述碱金属气室的中心位置；

步骤二：开启所述无磁电加热装置对所述碱金属气室进行加热，并利用所述三维磁线圈将所述磁屏蔽桶内的X、Y、Z三方向剩余磁场补偿至近零值，使剩磁不影响后续的测量；

步骤三：在Z方向施加-2160nT～2160nT的变化磁场，同时在Y方向施加一大直流偏置磁场B_y；

步骤四：记录所述光电探测器探测到的输出信号，根据拟合公式进行数据拟合得到B_y在X方向的投影磁场B_yx，拟合公式为：

$y=a\·\frac{(x-b)c+{\mathrm{dB}}_y}{{(x-b)}^2+c^2+d^2+B_y^2}+e$

其中，c为B_y在X方向磁场投影，a，b，d，e均为拟合系数，其具体含义：a为平衡极化率，b为Z方向光位移，d为总弛豫率与旋磁比的比值，e为常值偏置；

步骤五：根据三角函数求得X方向与Y方向的非正交角：

$\mathrm{\θ}=arccos\left(\frac{B_{yx}}{B_y}\right)$

进一步地，所述抽运激光的波长为770.108nm，所述检测激光的波长为776.2mm。

进一步地，所述无磁电加热装置将所述碱金属气室加热至180℃左右。

进一步地，调整直流偏置磁场B_y至不同值分别重复步骤一至步骤五，获得不同直流偏置磁场B_y下的所述三维磁线圈的X、Y轴非正交角的测量结果，再对这些测量结果取平均值得到所述三维磁线圈的X、Y轴非正交角的最终值。

有益效果：(1)填补缺乏SERF原子磁强计的三维磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置与方法的空白；

(2)为原子磁强计估算和补偿磁场偏差值提供有效参考；

(3)为提升SERF原子磁强计灵敏度提供保障。

附图说明

附图1为原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置的示意图，其中：1为Faraday调制器；2为第一起偏器；3为波片；4为检测激光器；5为第一反射镜；6为碱金属气室；7为无磁电加热装置；8为小真空系统；9为抽运激光器；10为扩束镜；11为波片；12为磁屏蔽桶；13为三维磁线圈；14为光电探测器；15为锁相放大器；16为示波器；17为第二起偏器；18为第二反射镜；

附图2为三维磁线圈的X、Y轴非正交角示意图，其中：Ⅰ为施加的直流偏置磁场B_y；Ⅱ为直流偏置磁场B_y在y方向的投影B_yy；Ⅲ为直流偏置磁场B_y在x方向的投影B_yx；Ⅳ为x方向未补偿掉的微小磁场B_x；Ⅴ为鞍型线圈X、Y轴非正交角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1所示为原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置的示意图，包括碱金属气室6、用于对碱金属气室6加热的无磁电加热装置7、小真空系统8、用于屏蔽外界磁场的磁屏蔽桶12、用于产生直流或交变磁场的三维磁线圈13、抽运光源系统以及检测光源系统；三维磁线圈13可以为三维鞍形磁线圈或亥姆赫兹磁线圈。

所述碱金属气室6位于原子磁强计的中心位置，其内部封装有碱金属原子，碱金属原子里混合有惰性气体与缓冲气体；其外部从内而外依次包围着无磁电加热装置7、小真空系统8、三维磁线圈13与磁屏蔽桶12；

所述抽运光源系统产生沿Z轴方向传播的抽运激光，所述检测光源系统产生沿X方向传播的检测激光，所述抽运激光与所述检测激光正交于所述碱金属气室6的中心位置。沿Z方向传播的圆偏振抽运激光将碱金属气室6中的碱金属原子的电子自旋极化，垂直于抽运激光的磁场可引起自旋极化方向微小偏转，此偏转角可由一束沿X方向传播的线偏振光检测，根据此原理，可构建原子磁强计。

所述检测光源系统包括检测激光器4，所述检测激光器4发出的检测激光依次经过第一反射镜5、确保检查激光光轴可调的波片3、将通过的激光变为偏振光的第一起偏器2、Faraday调制器1后穿过所述碱金属气室6与抽运激光正交后，再依次经过另一个第一起偏器2、光电探测器14、解调信号用的锁相放大器15，最后由示波器16输出检测结果。

所述抽运光源系统包括抽运激光器9，所述抽运激光器9发出的抽运激光依次经第二反射镜18、扩束镜10、第二起偏器17以及将抽运激光变为圆偏振光的波片后进入所述碱金属气室6。

原子磁强计动力学方程可由Bloch方程描述，

$\frac{d\stackrel{\→}{P}}{dt}=\frac{1}{q}\[{\mathrm{\γ}}^e\stackrel{\→}{B}\×\stackrel{\→}{P}+R_{op}(\hat{z}-\stackrel{\→}{P})-R_{sd}\stackrel{\→}{P})\]---\left(1\right)$

其中，为电子极化率，q为减速因子，γ^e为电子旋磁比，为外界磁场，R_op为抽运率，R_sd自旋破坏弛豫率，为方向单位矢量。

假设磁场变化极其缓慢，令式(1)左边等于零，可获得原子磁强计沿X、Y、Z三方向的稳态解：

$S_x=\frac{R_{op}}{2R_{tot}}\·\frac{{\mathrm{\γ}}^e{R}_{tot}{B}_y+{\left({\mathrm{\γ}}^e\right)}^2{B}_x{B}_z}{R_{tot}^2+{\left({\mathrm{\γ}}^e\right)}^2(B_x^2+B_y^2+B_z^2)}---\left(2\right)$

$S_y=\frac{R_{op}}{2R_{tot}}\·\frac{-{\mathrm{\γ}}^e{R}_{tot}{B}_x+{\left({\mathrm{\γ}}^e\right)}^2{B}_y{B}_z}{R_{tot}^2+{\left({\mathrm{\γ}}^e\right)}^2(B_x^2+B_y^2+B_z^2)}---\left(3\right)$

$S_z=\frac{R_{op}}{2R_{tot}}\·\frac{R_{tot}^2+{\left({\mathrm{\γ}}^e\right)}^2{B}_z^2}{R_{tot}^2+{\left({\mathrm{\γ}}^e\right)}^2(B_x^2+B_y^2+B_z^2)}---\left(4\right)$

其中，R_tot为总自旋弛豫率。

倘若外界磁场足够小，并且原子磁强计对X和Z方向磁场的响应基本被抑制，那么，磁强计的输出信号可近似表示为：

$S_x\≈\frac{R_{op}}{2R_{tot}}\·\frac{{\mathrm{\γ}}^e{R}_{tot}{B}_y}{R_{tot}^2+{\left({\mathrm{\γ}}^e{B}_y\right)}^2}---\left(5\right)$

其中，R_tot为总自旋弛豫率。

原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量方法，测量步骤为：

步骤一：光路调节。布置光路并对光路进行调节，使所述抽运光源系统产生抽运激光与所述检测光源系统产生的检测激光正交于所述碱金属气室6的中心位置；所述抽运激光的波长为770.108nm，所述检测激光的波长为776.2mm；

步骤二：系统准备。开启所述无磁电加热装置7将所述碱金属气室6进行加热至180℃左右，并利用所述三维磁线圈13将所述磁屏蔽桶12内的X、Y、Z三方向剩余磁场补偿至近零值，使剩磁不影响后续的测量；

步骤三：开始测试。在Z方向施加-2160nT～2160nT的变化磁场，同时在Y方向施加一大直流偏置磁场B_y；

步骤四：数据处理。记录所述光电探测器14探测到的输出信号，根据拟合公式进行数据拟合得到B_y在X方向的投影磁场B_yx，根据式(5)，可得拟合公式为：

$y=a\·\frac{(x-b)c+{\mathrm{dB}}_y}{{(x-b)}^2+c^2+d^2+B_y^2}+e---\left(6\right)$

其中，c为B_y在X方向的投影磁场B_yx，a，b，d，e均为拟合系数，其具体含义：a为平衡极化率，b为Z方向光位移，d为总弛豫率与旋磁比的比值，e为常值偏置。

步骤五：根据三角函数求得X方向与Y方向的非正交角：

$\mathrm{\θ}=arccos\left(\frac{B_{yx}}{B_y}\right)---\left(7\right)$

如附图2所示，Ⅰ为施加的直流偏置磁场B_y，Ⅲ为直流偏置磁场B_y在x方向的投影B_yx，Ⅴ为鞍型线圈X、Y轴非正交角θ。

步骤六：调整直流偏置磁场B_y至不同值分别重复步骤一至步骤五，获得不同直流偏置磁场B_y下的所述三维磁线圈13的X、Y轴非正交角的测量结果，再对这些测量结果取平均值得到所述三维磁线圈13的X、Y轴非正交角的最终值。

本发明填补了缺乏SERF原子磁强计的三维磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置与方法的空白，为原子磁强计估算和补偿磁场偏差值提供有效参考，为提升SERF原子磁强计灵敏度提供保障。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置，其特征在于：包括碱金属气室(6)、用于对碱金属气室(6)加热的无磁电加热装置(7)、用于屏蔽外界磁场的磁屏蔽桶(12)、用于产生直流或交变磁场的三维磁线圈(13)、抽运光源系统以及检测光源系统；

所述碱金属气室(6)位于原子磁强计的中心位置，其内部封装有碱金属原子，其外部从内而外依次包围着无磁电加热装置(7)、三维磁线圈(13)与磁屏蔽桶(12)；

所述抽运光源系统产生沿Z轴方向传播的抽运激光，所述检测光源系统产生沿X方向传播的检测激光，所述抽运激光与所述检测激光正交于所述碱金属气室(6)的中心位置。

2.根据权利要求1所述的原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置，其特征在于：所述检测光源系统包括检测激光器(4)，所述检测激光器(4)发出的检测激光依次经过第一反射镜(5)、确保检查激光光轴可调的波片(3)、将通过的激光变为偏振光的第一起偏器(2)、Faraday调制器(1)后穿过所述碱金属气室(6)与抽运激光正交后，再依次经过另一个第一起偏器(2)、光电探测器(14)、解调信号用的锁相放大器(15)，最后由示波器(16)输出检测结果。

3.根据权利要求1所述的原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置，其特征在于：所述抽运光源系统包括抽运激光器(9)，所述抽运激光器(9)发出的抽运激光依次经第二反射镜(18)、扩束镜(10)、第二起偏器(17)以及将抽运激光变为圆偏振光的波片后进入所述碱金属气室(6)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置，其特征在于：所述碱金属气室内封装的碱金属原子里混合有惰性气体与缓冲气体。

5.根据权利要求1-3任一项所述的原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置，其特征在于：所述无磁电加热装置(7)与三维磁线圈(13)之间还夹有小真空系统(8)。

6.根据权利要求1-3任一项所述的原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量装置，其特征在于：所述三维磁线圈(13)可以为三维鞍形磁线圈或亥姆赫兹磁线圈。

7.原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量方法，其特征在于：测量步骤为：

步骤一：布置光路并对光路进行调节，使所述抽运光源系统产生抽运激光与所述检测光源系统产生的检测激光正交于所述碱金属气室(6)的中心位置；

步骤二：开启所述无磁电加热装置(7)对所述碱金属气室(6)进行加热，并利用所述三维磁线圈(13)将所述磁屏蔽桶(12)内的X、Y、Z三方向剩余磁场补偿至近零值，使剩磁不影响后续的测量；

步骤三：在Z方向施加-2160nT～2160nT的变化磁场，同时在Y方向施加一大直流偏置磁场B_y；

步骤四：记录所述光电探测器(14)探测到的输出信号，根据拟合公式进行数据拟合得到B_y在X方向的投影磁场B_yx，拟合公式为：

其中，c为B_y在X方向磁场投影，a，b，d，e均为拟合系数，其具体含义：a为平衡极化率，b为Z方向光位移，d为总弛豫率与旋磁比的比值，e为常值偏置；

步骤五：根据三角函数求得X方向与Y方向的非正交角：

8.根据权利要求7所述的原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量方法，其特征在于：所述抽运激光的波长为770.108nm，所述检测激光的波长为776.2mm。

9.根据权利要求7所述的原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量方法，其特征在于：所述无磁电加热装置(7)将所述碱金属气室(6)加热至180℃左右。

10.根据权利要求7-9任一项所述的原子磁强计的磁线圈X、Y轴非正交角的测量方法，其特征在于：调整直流偏置磁场B_y至不同值分别重复步骤一至步骤五，获得不同直流偏置磁场B_y下的所述三维磁线圈(13)的X、Y轴非正交角的测量结果，再对这些测量结果取平均值得到所述三维磁线圈(13)的X、Y轴非正交角的最终值。