[发明专利]三轴矢量磁场探测方法和探测装置

说明书

本申请公开三轴矢量磁场探测方法和探测装置，其中三轴矢量磁场探测方法包括提供一束激光；对原子气室的三个方向施加不同频率的调制磁场；将激光调整为圆偏振光，使圆偏振光入射原子气室、经反射镜反射后、再次通过原子气室后射出，得到出射激光；测量出射激光的光功率信号，并根据调制磁场对出射激光的光功率信号进行解调，以得到待测磁场的对应三个方向的磁场信息。通过上述方式，本申请的圆偏振光在原子气室中形成相交光路的磁敏感区域，相交光路的磁敏感区域的探测盲区相互互补，从而可以实现全方向的三轴矢量磁场探测。

技术领域

本申请涉及量子信息领域的磁场信号探测，尤其涉及三轴矢量磁场探测方法和探测装置。

背景技术

电磁场广泛存在于日常生活中，大至宇宙天体，小至原子分子都存在着自身的磁场。通过探测物体周围的磁场，我们可以推测物体内部的结构和组成或是外部的磁场变化，从而了解物体内部的结构性质或外部的环境信息。磁力仪是测量磁场强度和方向的仪器的统称，Cal Friedrich Gauss于1833年发明了第一台磁力仪，之后磁力仪从传统的矿业、石油行业的应用逐渐发展至高精尖的航空磁测、生物磁测、基础物理研究等应用中。

目前，常用于弱磁场、特别是地磁场测量的磁力仪，无论是地磁台站的观测或野外地面磁测、航空、航天、海洋和井中磁测，从磁力仪的工作原理上大致可分为三大类，即：基于电磁感应原理的磁通门磁力仪、基于原子与电磁场相互作用的光泵磁力仪、基于超导量子干涉原理的超导磁力仪。

根据磁力仪的特点，有的磁力仪只能测定磁场的大小，其测量结果与磁力仪的姿态无关，对平台的机动不敏感，称为标量磁力仪。而有的可以同时测量磁场的大小和方向，能够获得更多的磁场信息，可以实现更精确的磁源定位，称为矢量磁力仪。

对于三轴矢量磁场的探测，可以采用磁通门磁力仪或超导磁力仪来实现。但是，磁通门磁力仪或超导磁力仪都有各自的缺点。磁通门磁力仪或超导磁力仪都是测量通过线圈的磁通量来探测磁场，目前，超导量子干涉仪(superconducting quantum interferencedevice，SQUID)是灵敏度最高的磁力仪之一，其基本原理是基于超导隧道效应和磁通量子化。虽然SQUID灵敏度很高，但是SQUID工作需要液氦来维持极低的温度，导致实验费用高昂且不易缩小体积。相比SQUID，磁通门磁力仪适用范围比较广泛且小巧便携。磁通门磁力仪的基本原理是基于铁芯材料的非线性磁化特性，其敏感元件为高磁导率、易饱和材料制成的铁芯，通过特定的检测电路将外界磁场信号从围绕在铁芯上的感应线圈中提取出来。其灵敏度与准确度不高。

对于三轴矢量磁场的探测，也可以采用光泵磁力仪来实现。与上述两种磁力仪相比，光泵磁力仪具有更好的灵敏度和准确度。对基于原子和磁场相互作用的光泵磁力仪，原子自旋极化的动力学演化过程通常可用Bloch方程描述，如式(1)所示：

以典型的磁共振式光泵磁力仪为例，式(1)中磁场B由待测磁场B_x，B_y，B_z和调制磁场B₁sinωt组成。通过求解该Bloch方程可知，当调制频率ω＝γB₀时，极化率P会产生同频的共振，其中B₀为待测磁场的大小。因此基于这一共振可以较容易地实现待测磁场大小B₀的测量，此时该光泵磁力仪体现为标量磁力仪。实现标量测量的光泵磁力仪类型有M_x磁力仪，M_z磁力仪以及Bell-Bloom磁力仪。但是对于三轴矢量磁场B_x，B_y，B_z而言，由于三者相互之间存在非线性耦合，因此难以直接进行独立测量。如何分离出三轴矢量磁场各自的信息，是基于光泵磁力仪探测三轴矢量磁场所要解决的难题。

由于光泵磁力仪通常对沿着光传播方向的磁场相对不敏感，且各个方向的磁场强度之间存在非线性耦合、环境噪声以及电路低频噪声的影响，如果直接进行三轴矢量磁场的独立测量，导致测量结果准确度不高，存在严重误差。