[发明专利]一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法和系统

说明书

本发明公开了一种实现无自旋交换弛豫(SERF)磁力仪矢量磁场测量的方法和系统。使磁力仪工作在横向参数共振模式下，x方向磁场引起的z方向自旋极化变化和y方向磁场引起的z方向自旋极化变化相位差恰好为90度，利用锁相放大器以射频磁场频率解调信号，从锁相放大器的同相通道和异相通道得到x方向和y方向的磁场；泵浦光z方向磁场的测量利用x‑y平面的圆偏振射频磁场使SERF磁力仪同时工作在Mz共振模式下，磁力仪工作点处在吸收线型腰上斜率最大的位置，平衡探测器输出的直流分量信号就代表了z方向的磁场。本方案可实现高灵敏度的三轴磁场测量，而且不需要考虑气室内作用原子是否有重叠，光路简单，易于小型化和集成化。

技术领域

本发明属于原子磁力仪技术领域，尤其是涉及一种利用Mz共振模式和横向参数调制模式同时工作，实现无自旋交换弛豫(SERF)磁力仪矢量磁场测量的方法、系统，以及采用该方法和系统的SERF磁力仪。

背景技术

SERF磁力仪是一种通过测量微小自旋极化变化，从而精确测得磁场大小的磁力仪。基本原理是：首先通过光泵浦实现原子自旋极化。随后，极化的自旋会在外界微弱磁场的作用下发生偏转。偏转的自旋会在与泵浦光垂直的方向上产生微小的自旋投影，这个自旋极化投影正比于磁场的大小。通过探测这个自旋极化投影，就可以得到磁场的大小。

SERF磁力仪最早是由Happer和Tang发现，后经过Romalis等人发展完善。他们将气室加热到190度的高温来获得10¹⁴/cm³的高密度钾蒸气，同时将气室置于非常低的外磁场下(～nT)。此时原子间的自旋交换碰撞频率远大于单个原子的自由拉莫尔进动频率，因此尽管自旋交换碰撞是个随机的去相干过程，但在远小于自由进动周期的时间段内，频繁的碰撞使得每个原子能够按照统计学的规律遍历基态能级上的所有磁量子态，并达到布居几率的热平衡，这样总自旋反倒以一个非常稳定的平均拉莫尔频率在外场中进动，从而彻底消除了自旋交换弛豫。最终主导磁力仪横向弛豫时间T₂的机制变为同样正比于原子密度，但碰撞截面要比自旋交换弛豫小3个数量级以上的自旋破坏弛豫。因此，SERF磁力仪是目前最灵敏的原子磁力仪，其超高的灵敏度非常适合应用于测量生物磁场，例如脑磁、心磁的测量。

常规的磁力仪常常只能测量某一个方向的磁场。而在实际的应用需求中，往往需要测量三个轴方向的磁场，这就需要用到矢量磁力仪。董海峰等人(CN104297702A)在Bell-bloom磁力仪的主磁场方向增加一束探测光，两个垂直主磁场方向上的磁场引起的此探测光光强变化相位差为90度，使用锁相放大器解调就可得到垂直主磁场方向上的磁场大小。但是此方法需要有一个较大的主磁场，不适用于零磁场下工作的SERF磁力仪。

常见的SERF磁力仪矢量测量方法是在不改变稳态的条件下，在三个测量轴方向上各施加一个不同频率的振荡磁场，而且频率要满足远低于磁力仪带宽。利用锁相放大器解调出不同频率的信号，就可以得到三个测量轴方向的磁场。但是这种方法不仅影响磁力仪的灵敏度，严重降低磁力仪的带宽，而且无法克服光泵浦方向磁场测量极不灵敏的痼疾。

最近，Shah等人(US10775450B1)考虑到在充惰性气体的原子气室中铷原子不易扩散的特性，在同一个气室里面通过两束垂直的相互不重叠的光，利用一个原子气室将两个相互垂直的横向参数共振磁力仪合在一起，也实现了高灵敏度的三轴磁场测量。但这样，需要考虑气室内作用原子是否有重叠等情况，光路结构复杂，集成匹配难度较大。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于Mz共振模式和横向参数调制模式同时工作的SERF磁力仪矢量磁场测量方法，以及采用该矢量磁场测量方法的系统，以及采用系统的SERF磁力仪，可实现高灵敏度的三轴磁场测量，而且不需要考虑气室内作用原子是否有重叠，光路简单，易于小型化和集成化。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种实现SERF磁力仪矢量磁场测量的方法，包括如下步骤：