[发明专利]一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置及测磁方法

说明书

本发明公开了一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，包括原子蒸气泡，原子蒸气泡上设置有测磁传感器，原子蒸气泡位于三维亥姆霍兹线圈单元的中心，还包括半导体激光器、1/2波片、偏振分束器、激光稳频模块、锁相放大器、声光调制器、沃拉斯顿棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、差分放大器，计算机与第一数据采集卡连接，第一数据采集卡与压控电流源模块连接，压控电流源模块与三维亥姆霍兹线圈单元连接，计算机与第二数据采集卡连接，第二数据采集卡与放大电路模块连接，放大电路模块与测磁传感器连接。本发明还公开了一种无被动磁屏蔽原子磁力计的测磁方法。本发明用于地磁测量的问题，同时也解决了原子磁力计小型化和功耗的问题。

技术领域

本发明属于原子分子物理领域，具体涉及一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，还涉及一种无被动磁屏蔽原子磁力计的测磁方法，适用于地磁测量，深空测磁，磁异常测量等相关领域研究。

背景技术

原子磁力计的基本原理是通过测量原子的极化矢量在外磁场中的拉莫尔进动频率来获得磁场大小，它是一种高灵敏度的测磁工具，迄今，在文献“Ultrahigh sensitivitymagnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer”[Appl.Phys.Lett.97,151110(2010)]报道实验演示达到的最高灵敏度为0.16fT/Hz^1/2，但它的原子蒸气泡需要在高温(大于473K)与近零场(小于10nT)环境才能有效工作。通常地，利用多层坡莫合金等材料来屏蔽外界环境中的磁场。坡莫合金制作的被动磁屏蔽筒，在原理上，使得原子测力计无法探测屏蔽筒外的磁场，限制了其在地磁场、深空中磁场、水下异磁的探测等领域的应用，而在体积、重量、结构上，限制了其在卫星、无人机、以及小载荷飞行器等上的应用。如今，常用光泵磁力计与磁通门磁力计对地磁、深空磁场、异磁等进行测量，但它们的灵敏度比原子磁力计灵敏度低4～6个数量级，这就极大限制了它们的磁场探测距离。因此，现在需要发展一种无被动磁屏蔽高灵敏度的原子磁力计装置。

近几年已经发展了一些无被动磁屏蔽原子磁力计装置。例如，Cameron Dean等人在“Sub-picotesla widely-tunable atomic magnetometer operating at room-temperature inunshielded environments”[arXiv:1804.05124v1]文章中提出首先利用商用磁通门磁力计与PID控制器补偿背景磁场，使得原子蒸气泡处磁场值达到近零场，然后利用铷原子蒸气泡测量磁场值。Lin Lu等人在“Chip-scale SERF atomic magnetometerwithout magnetic shield”[2017IEEE 67th]文章中提出首先利用磁场调制方法补偿背景磁场，然后利用铷原子蒸气泡测量磁场值。

尽管目前这类无被动磁屏蔽原子磁力计装置能够解决应用方面的一些问题，但是它们还是具有一定的局限性。例如，在Cameron Dean等人的工作中，由于商用磁通门磁力计探头尺寸(32×32×122mm³)过大，这就要求其方形匀场线圈边长为1200mm，该线圈尺寸过大不易携载。在Lin Lu等人文章中提及的装置，原子蒸气泡需要加热到约443K，这极大增加装置的功耗。因此，发展新的技术与方法仍然是亟待解决的问题，本发明将针对此问题，提供一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置及测磁方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供了一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，还提供一种无被动磁屏蔽原子磁力计的测磁方法，解决了原子磁力计用于地磁测量的问题，同时也解决了原子磁力计小型化和功耗的问题。

本发明通过以下技术方案实现：