[发明专利]一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法

权利要求书

1.一种单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，包括：

激光器、磁屏蔽筒、数据采集系统和反射镜；

所述磁屏蔽筒内依次设有起偏器、四分之一波片、真空腔、半波片、偏振分束器和光电探测器；所述真空腔的外侧面设有水冷系统、内部设有无磁电加热装置，所述无磁电加热装置之内设有碱金属气室；

所述真空腔的外部设有用于对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿三轴向磁线圈组；

所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器用于检测平行于起偏器透光轴之偏振分量方向的光强；所述第二光电探测器用于检测垂直于起偏器透光轴之偏振分量的光强；所述数据采集系统连接所述第一光电探测器和所述第二光电探测器；

所述反射镜与水平方向的夹角为45°且设于所述偏振分束器的竖直光路上，将偏振分束器的竖直光路变为与其水平光路方向平行且同向的第二水平光路；所述第一光电探测器设于所述水平光路上，所述第二光电探测器设于所述第二水平光路上；设x方向为竖直方向，z方向为水平方向也即为抽运方向，y方向垂直于所述x方向和z方向；利用峰值频率、展宽频率、x方向的转折频率和y方向的转折频率，计算三轴磁场的磁场强度值。

2.根据权利要求1所述单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述四分之一波片的快轴与起偏器的透光轴之间的夹角为π/8，所述半波片的快轴与起偏器的透光轴之间的夹角为π/4。

3.根据权利要求1所述单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述激光器与所述磁屏蔽筒之间还设有耦合器。

4.根据权利要求1所述单光束非调制式三轴磁场测量装置，其特征在于，所述碱金属气室为钾原子气室。

5.一种单光束非调制式三轴磁场测量方法，其特征在于，使用权利要求1-4之一所述单光束非调制式三轴磁场测量装置测量三轴磁场，包括如下步骤：

S1，在磁屏蔽筒的一侧安装激光器及耦合器，在磁屏蔽筒内安装起偏器、半波片、偏振分束器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中，起偏器、半波片、偏振分束器和第一光电探测器均设于所述偏振分束器的水平光路上，所述第二光电探测器设于所述偏振分束器的竖直光路上；

S2，调节半波片快轴方向，使得第一光电探测器和第二光电探测器的输出解调S3，在起偏器和半波片之间安装四分之一波片和真空腔；所述真空腔的外侧面设有水冷系统、内部设有无磁电加热装置，所述无磁电加热装置之内设有碱金属气室；所述真空腔的外部设有用于对所述碱金属气室附近的微弱磁场进行补偿三轴向磁线圈组；

S4，调节四分之一波片快轴方向，使其与起偏器透光轴之间的夹角为π/8；

S5，使用所述无磁电加热装置加热所述碱金属气室至180-200℃；

S6，对磁屏蔽筒消磁，使得磁屏蔽筒内各轴剩磁小于10 nT；

S7，施加x方向正弦磁场信号，频率为30 Hz， 有效值为100 pT，调节四分之一波片和激光器光强使得碱金属原子对正弦磁场的响应信号最大；其中，x方向为竖直方向，z方向为水平方向也即为抽运方向，y方向垂直于所述x方向和z方向；

S8，分别在x、y、z方向施加正弦磁场信号，所述正弦磁场信号的磁场有效值为100 pT，频率f范围为10 Hz – 100 Hz；从频率f=10 Hz开始，每间隔5Hz分别采集x、y、z方向的磁场频率响应信号、、；

S9，利用频率响应公式拟合采集到的x、y、z方向的磁场响应信号、、，得到响应峰值频率f₀和展宽频率Δf；

S10，计算磁场频率响应信号的比值与，利用频率响应比例公式拟合，得到x方向的转折频率f_1x和y方向的转折频率f_1y；

S11，利用峰值频率f₀、展宽频率Δf、x方向的转折频率f_1x和y方向的转折频率f_1y，计算三轴磁场的磁场强度值。

6.根据权利要求5所述单光束非调制式三轴磁场测量方法，其特征在于，所述S8中，每间隔5 Hz分别采集x、y、z方向的磁场频率响应信号时，若x、y、z方向的磁场频率响应信号较小，则通过施加z向偏置磁场，使x、y、z方向的磁场频率响应信号变大，且确保x、y、z方向的磁场频率响应信号的测量不确定度均小于1%。