[发明专利]一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置及方法

权利要求书

1.一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述装置包括x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈、x-y面内旋转磁场线圈组和抽运-检测型原子磁力仪；

所述x-y面内补偿磁场线圈组包括x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2，所述通入x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的电流值由矢量原子磁力仪工作时动态地改变，使矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量分别被补偿至预设范围内；

所述z轴线圈3用于判定矢量磁场在z轴投影分量的符号，所述符号为“+”符号或“-”符号；

所述x-y面内旋转磁场线圈组包括x轴线圈4和y轴线圈5，所述x轴线圈4和y轴线圈5的线圈系数相等，所述x轴线圈4和y轴线圈5中通入相位差90°的两组正弦交变信号，用于在铷泡7空间位置产生固定振幅的x-y面内旋转磁场；

所述抽运-检测型原子磁力仪包括铷泡加热模块6、铷泡7、亥姆霍兹线圈8、圆偏振抽运光9和线偏振探测光10；铷泡加热模块6使铷泡7保持恒温；铷泡7被置于x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈3、x-y面内旋转磁场线圈组和亥姆霍兹线圈8的几何中心；亥姆霍兹线圈8的轴线方向平行于x轴，亥姆霍兹线圈8内输入与拉莫尔进动频率相等的共振射频信号，用于驱动铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩进动至x-y平面；圆偏振抽运光9与z轴平行，用于制备铷泡7内铷原子系综的极化态，使原子系综的宏观磁矩平行于z轴；线偏振探测光10与x轴平行，用于测量铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩绕磁场进动的拉莫尔进动信号；所述抽运-检测型原子磁力仪用于测量铷泡7空间位置处的标量磁场。

2.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，当矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量都被补偿至预设范围内时，所述抽运-检测型原子磁力仪测量的一组磁场值的波动峰峰值最小；所述预设范围为x轴或y轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值对应的变化磁场的10倍，所述x轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值和y轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值相等。

3.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量为矢量原子磁力仪处于锁定状态时由x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的线圈系数乘以对应的补偿电流分别得到。

4.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述矢量磁场在z轴投影分量符号未知时，由所述z轴线圈3辅助判定；利用所述z轴线圈3判定矢量磁场在z轴投影分量的符号，包括：

向z轴线圈3通入正向电流后在铷泡7空间位置产生沿z轴正方向的磁场，如果抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值增大，则矢量磁场在z轴投影分量的符号为“+”符号，如果抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值减小，则矢量磁场在z轴投影分量的符号为“-”符号。

5.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述x-y面内旋转磁场线圈组中通入正弦交变信号的频率小于或等于100Hz，载流x轴线圈4和载流y轴线圈5在铷泡7空间位置产生正弦交变磁场的振幅相等，且都小于或等于1000nT。

6.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述抽运-检测型原子磁力仪用于测量铷泡7空间位置处的标量磁场，其中抽运-检测型原子磁力仪的磁场采样率设定值应大于或等于x-y面内旋转磁场线圈组中正弦交变信号频率的10倍。

7.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，在磁屏蔽环境中y轴方向产生1000nT至5000nT范围的本底磁场，利用圆偏振抽运光9制备铷泡7内铷原子系综的极化态后，禁用亥姆霍兹线圈8的功能，利用与x轴平行的线偏振探测光10测量铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩绕y轴磁场进动的拉莫尔进动信号，并利用所述抽运-检测型铷原子磁力仪测量y轴线圈5中通入正弦交变信号后的旋转磁场的振幅。