[发明专利]一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法

说明书

一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法，处理器通过激光器控制电路使激光器输出激光，激光的频率与原子跃迁共振，幅度周期性变化，激光器发出的激光经过光纤分束器分别入射到第一原子气室和第二原子气室中，与原子作用后分别由第一探测器和第二探测器接收，探测器输出的电压信号发送到处理器。激光使原子极化，极化轴绕外磁场以拉莫尔频率进动，处理器改变激光幅度的调制频率，当频率值与原子拉莫尔进动频率相同时，从原子气室出射的激光光谱出现极大值，在通过拉莫尔频率计算得到磁场值。通过测量第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场在差分计算，可得到磁场梯度值。本发明磁敏感部分采用全光学结构，提高了磁场梯度的测量精度。

技术领域

本发明涉及一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法，属于磁场精密测量领域。

背景技术

磁场广泛存在于空间中，磁场测量可用于地质勘探、地下管线探测、无损检测、地磁导航、医学诊断等领域，磁场包括磁场幅度、方向、磁场梯度等信息，磁场梯度的精确测量能够提高地下管线探测、地磁导航、生物磁场测量的精度。

传统标量磁场梯度测量采用两个独立的磁力仪探头，传统磁力仪探头的体积较大，限制了磁梯度测量的基线长度。而且传统磁力仪探头内含有激光器和光电探测器等电子元器件，电子元器件固有磁性以及其工作时相应的电路内电流产生的磁场干扰会影响磁场梯度测量精度。采用光场幅度调制方案进行磁场测量，可以用光纤传输激光，实现磁敏感部分全光学化，消除电子元器件引起的磁场干扰，能够为科学研究和工程应用提供一种高精度、高稳定性的磁场梯度测量手段。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法，能够实现磁敏感部分全光学设计，提高磁场梯度测量精度。

本发明采用的技术方案为：一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置，包括：激光器、光纤分束器、第一原子气室、第二原子气室、激光器控制电路、第一探测器、第二探测器和处理器；处理器通过激光器控制电路使激光器输出激光，激光频率与原子跃迁共振，且激光幅度周期性变化，激光器发出的激光经过光纤分束器分别入射到第一原子气室和第二原子气室中，与原子作用后分别由第一探测器和第二探测器接收，探测器输出的电压信号发送到处理器；处理器改变激光幅度的调制频率，当频率值与原子拉莫尔进动频率相同时，从原子气室出射的激光光谱出现极大值，通过拉莫尔频率计算得到磁场值；通过测量第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场，计算得到磁场梯度值。

所述计算得到磁场梯度值的具体过程为：第一原子气室和第二原子气室位置处的磁场先进行差分计算，再与基线值L相除，得到磁场梯度值；所述基线值为第一原子气室中心与第二原子气室中心之间的距离。

一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量方法，步骤如下：

步骤一：调节所述激光器控制电路，使激光器输出功率恒定且频率与原子本征跃迁共振的激光；

步骤二：确定第一原子气室中原子的拉莫尔进动频率w₁；

步骤三：确定第二原子气室中原子的拉莫尔进动频率w₂；

步骤四：计算第一原子气室和第二原子气室中原子拉莫尔进动频率的差值Δw＝w₁-w₂；

步骤五：计算得到磁场梯度值。

所述步骤二确定第一原子气室中原子的拉莫尔进动频率w₁的具体过程为：

11)利用第一探测器测量从第一原子气室出射的激光，将光强转化为电压值后，发送到处理器；

12)处理器改变激光幅度的调制频率；

13)确定从第一原子气室出射的激光光谱极大值对应的调制频率，即为w₁。