[发明专利]一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法

说明书

一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法，包括：激光器、磁屏蔽筒、耦合器、起偏器、四分之一波片、三轴向磁线圈、水冷系统、碱金属原子气室、无磁电加热装置、真空腔、半波片、反射镜、偏振分束器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集系统。激光器发出的激光通过耦合器进入磁屏蔽筒内，经过起偏器后变为线偏振光，经过四分之一波片后变为椭偏度为π/8的椭圆偏振光，其中，圆偏振成分抽运碱金属原子，线偏振成分进行检测。经过碱金属原子气室后，椭圆偏振光椭偏度和旋角发生改变，利用半波片和偏振分束器分别提取两正交方向的偏振分量并通过数据采集系统对其进行差分检测，测得的差分信号反映所响应的磁场大小。

技术领域

本发明涉及极弱磁测量技术领域，特别是一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法。

背景技术

基于无自旋交换弛豫效应(spin-exchange relaxation-free，SERF)的三轴磁场测量装置可获得磁场矢量的全部信息，被广泛应用在基础物理学研究、心脑磁探测、材料检测等领域。利用多检测光束可以实现三轴磁场测量，但该种测量装置体积大不利于小型化。采用调制方法可以利用小型的单光束磁强计实现双轴或三轴测量。但是，调制式三轴磁测量方法仅能够有效测量交流磁场，进行直流磁场测量时极易受到三轴串扰影响，使其测量误差较大。并且，实验中缺少小型单光束磁强计的原位高精度三轴线圈标定方法，使得其磁场测量精度严重受限。

发明内容

本发明提供一种单光束非调制式三轴磁场测量装置及方法，利用单光束非调制式磁强计，不需要高频调制磁场，仅需获得三轴频率响应即可实现三轴直流磁场测量，避免标准磁场线圈常数误差，直接使用碱金属原子本身的特性，即旋磁比，这避免了标准磁场误差的问题。

本发明技术方案如下：

一种单光束非调制式三轴磁场测量装置，包括：

激光器、磁屏蔽筒和数据采集系统；

所述磁屏蔽桶内依次设有起偏器、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。

作为优选，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；

作为优选，所述单光束非调制式三轴磁场测量装置还包括反射镜，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。

作为优选，所述激光器与所述磁屏蔽筒之间还设有耦合器。

作为优选，所述碱金属气室为钾原子气室。

一种单光束非调制式三轴磁场测量方法，其特征在于，使用上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，在磁屏蔽桶的一侧安装激光器及耦合器，在磁屏蔽桶内安装起偏器、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信号强度相同；