[发明专利]一种基于零场共振的SERF原子磁强计及磁补偿方法

说明书

本发明公开了一种基于零场共振的SERF(Spin‑Exchange Relaxation‑Free)原子磁强计及磁补偿方法。通过在SERF原子磁强计的敏感轴上施加变化磁场获得零场共振信号，之后利用离散微分的方法获得零场共振信号的微分信号，然后改变垂直于敏感轴的两个方向的磁场大小，当总磁场为零时该微分信号的峰值有最大值，得到垂直于敏感轴两方向的磁场补偿值，最后调节敏感轴方向的磁场使SERF原子磁强计的输出为零，得到敏感轴方向的磁场补偿值。与现有技术相比，本发明是一种非调制的磁补偿方法，不需使用额外的锁相放大器，适用于小型化和集成化的SERF原子磁强计。

技术领域

本发明涉及一种基于零场共振的SERF原子磁强计及磁补偿方法，属于原子磁强计的磁场控制技术领域。

背景技术

原子磁强计实现SERF状态的必要条件包括环境磁场低于10nT，在此条件下，环境磁场越小，由碱金属原子自旋交换碰撞引起的横向弛豫率越小，SERF原子磁强计的灵敏度越高，因此需要对环境剩磁进行精确的磁补偿。

目前SERF原子磁强计常用的磁补偿方法主要是调制法，即在SERF原子磁强计的不同方向上施加不同频率或不同相位的调制，利用多个锁相放大器通道分别得到不同方向的磁场大小进而进行补偿。这种方法存在以下缺点：第一，调制方法需要使用额外的锁相放大器，增加了系统的成本和体积；第二，调制方法对于三个方向的磁场补偿往往有三个不同的目标函数和收敛值，需要迭代多次才能得到最终的磁场补偿值，这增加了补偿过程的复杂性，不利于实现自动化补偿和磁场闭环控制，而且迭代的过程容易在不同方向的磁场补偿中引入串扰，降低补偿精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种基于零场共振的SERF原子磁强计及磁补偿方法。通过在SERF原子磁强计的敏感轴上施加变化磁场获得零场共振信号，之后利用离散微分的方法获得零场共振信号的微分信号，然后改变垂直于敏感轴的两个方向的磁场大小，当总磁场为零时该微分信号的峰值有最大值，得到垂直于敏感轴两方向的磁场补偿值，最后调节敏感轴方向的磁场使SERF原子磁强计的输出为零，得到敏感轴方向的磁场补偿值。

本发明的技术解决方案为：

一种基于零场共振的SERF原子磁强计，其特征在于：包括三轴磁补偿线圈4、无磁电加热装置5、气室6组成的敏感表头系统，检测激光器7、起偏器一8、1/2波片13、偏振分光棱镜14、平衡探测器15、反射镜17组成的检测光学系统，抽运激光器9、扩束器10、起偏器二11、1/4波片12组成的抽运光学系统；坡莫合金磁屏蔽桶1、铁氧体磁屏蔽桶2、真空腔3组成的弱磁和真空的工作环境维持系统，以及数据采集系统16、信号发生器18组成的电子测控系统；所述坡莫合金磁屏蔽桶1、铁氧体磁屏蔽桶2、真空腔3、三轴磁补偿线圈4、无磁电加热装置5、气室6由外到内依次设置；所述检测激光器7发出的检测激光经起偏器一8从水平方向射入气室6后，经1/2波片13、偏振分光棱镜14分光，一束透射光直接进入平衡探测器15，另一束反射光经反射镜17进入平衡探测器15，所述抽运激光器9发出的抽运激光从竖直方向经扩束器10、起偏器二11、1/4波片12射入气室6，所述数据采集系统16、信号发生器18分别连接平衡探测器15和三轴磁补偿线圈4；通过维持弱磁环境，加热气室并对原子进行光抽运使气室中的原子工作于SERF态，并通过信号发生器18对三轴磁补偿线圈4在垂直于抽运激光和检测激光的敏感轴方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号。

一种基于零场共振的SERF原子磁强计的磁补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(一)：对SERF原子磁强计的工作环境的外界磁场进行磁屏蔽，加热气室并对原子进行光抽运，使碱金属原子达到SERF状态；

步骤(二)：在SERF原子磁强计的敏感轴方向上施加一个大小随时间变化的磁场，激励SERF原子磁强计获得零场共振信号；