[发明专利]一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置

说明书

本发明所述基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，采用在碱金属气室的气室主体上设置反射镜，使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直，当气室内的碱金属原子处在零磁环境下，其自旋矢量方向沿着入射抽运光和反射抽运光的传播方向，不发生进动，激光的光强不发生变化；当在与入射抽运光或反射抽运光垂直方向上存在待测磁场时，气室内的碱金属原子自旋矢量将绕待测磁场进动，激光光强会随之发生有规律的变化，所述光电探测器将该光强变化信号转为电信号，所述锁相放大器解调光电探测器中的电信号，分别得到X轴、Y轴和Z轴三个方向磁场对应的电压信号，进而使用单光束完成三轴磁场的测量。

技术领域

本发明属于SERF(Spin-Exchange Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计技术领域，具体涉及一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置。

背景技术

近年来，随着量子理论和激光器技术的不断发展，原子磁强计性能大幅提高，不断突破测量精度极限，成为最精密的磁场仪器。现阶段原子磁强计的细分种类繁多，其中SERF原子磁强计是目前低频灵敏度最高的一种磁强计。经典单光束和双光束SERF原子磁强计至多能实现双轴磁场测量，无法实现抽运光方向磁场的测量。

现阶段基于SERF的三轴矢量磁场测量的实现方案包括双光束结构和/或多气室结构的三轴矢量磁场测量方案以及低频三轴调制式磁场测量方案等，均存在体积大、结构复杂、无法同时测量三轴磁场、灵敏度低等问题，限制了三轴矢量磁强计的使用与发展。

发明内容

本发明提供一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，通过改变抽运光在气室内部传播方向，实现一束抽运光和一个碱金属气室就能同时进行三轴磁场的连续测量，结构简单，且克服单光束SERF磁强计无法测量抽运光方向磁场的难题。

本发明技术方案如下：

一种基于SERF的单光束反射式三轴磁场测量装置，包括碱金属气室，还包括对所述碱金属气室进行加热的烤箱、对所述碱金属气室进行磁屏蔽的磁屏蔽桶、对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿的信号发生器和三轴向磁线圈组、向所述碱金属气室发射入射抽运光的激光器，以及接收经所述碱金属气室射出的反射抽运光的光电探测器；所述碱金属气室、烤箱、磁线圈组、激光器以及光电探测器均放置于所述磁屏蔽桶的内部；还包括设于所述磁屏蔽桶外部的锁相放大器，所述锁相放大器与所述光电探测器相连，所述光电探测器将所述反射抽运光的光强变化信号转为电信号，所述锁相放大器解调所述光电探测器中的电信号，得到待测三轴磁场对应的电压信号；所述碱金属气室包括气室主体和气柄，所述气室主体内部或外部安装有第零号反射镜，所述第零号反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接受到的反射抽运光互相垂直。

作为优选，所述气室主体形状为直五棱柱，所述直五棱柱包括一个斜侧面和四个相邻且相互垂直的直角侧面，所述斜侧面与相邻直角侧面的夹角均为135°，所述气室主体斜侧面上设有第零号反射镜，所述第零号反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直。所述第零号反射镜优选设于所述气室主体斜侧面的外部。

作为优选，所述气室主体形状为长方体，优选为正方体，所述气室内部安装有第零号反射镜，所述第零号反射镜工作面与相邻气室侧面的夹角均为135°，所述第零号反射镜使所述激光器发出的入射抽运光与光电探测器接收到的反射抽运光相互垂直。

作为优选，所述三轴向磁线圈组包括X轴向磁线圈、Y轴向磁线圈和Z轴向磁线圈，所述信号发生器设于所述磁屏蔽桶外部，并向所述三轴向磁线圈组输入高频调制磁场。

作为优选，所述碱金属气室的内部包括高压氮气和氦气，还包括钾、铷、铯三种碱金属中的一种或者两种或者三种。