[发明专利]一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法，激光光源由输入光纤传播到物理探头，然后依次经过第一透镜、四分之一波片和第一直角棱镜入射原子样品池，实现相干粒子数俘获效应后，由第二直角棱镜反射再经过第二透镜聚焦耦合进入输出光纤，在物理探头内部加入一组亥姆霍兹线圈，通过扫描线圈内电流、转动线圈并判断相干粒子数俘获效应产生的中间峰幅度，可计算出待测磁场的X、Y、Z轴分量，实现磁场矢量测量。本发明只需在原子样品池周围安装一组亥姆霍兹线圈，能有效减小测磁装置传感部分的体积，并且由于不存在三轴垂直度误差，提高了矢量磁力仪的测量精度。

主权项

一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置进行测量的方法，涉及的装置包括物理探头和主机系统；所述物理探头提供磁场感应部分，包括输入光纤(101)、第一透镜(102)、四分之一波片(103)、第一直角棱镜(104)、原子样品池(105)、亥姆霍兹线圈(106)、第二直角棱镜(107)、第二透镜(108)和输出光纤(109)；所述主机系统包括激光光源和控制系统；激光光源发出的线偏振光由输入光纤(101)传播到物理探头，在物理探头内部依次经过第一透镜(102)、四分之一波片(103)和第一直角棱镜(104)转为圆偏振的平行光后，沿Z轴方向入射原子样品池(105)；在原子样品池(105)内激光与原子相互作用，实现相干粒子数俘获效应，出射光束由第二直角棱镜(107)反射再经过第二透镜(108)聚焦耦合进入输出光纤(109)，由输出光纤(109)再传回控制系统，控制系统采集并处理带有待测磁场信息的信号，完成磁场矢量测量功能；所述输入光纤(101)、第一透镜(102)、四分之一波片(103)、第一直角棱镜(104)、原子样品池(105)、第二直角棱镜(107)、第二透镜(108)和输出光纤(109)的中心轴线在X‑Z平面内；所述物理探头内部加入一组亥姆霍兹线圈(106)，通过给亥姆霍兹线圈(106)通电流产生与激光传播方向成45度夹角的偏置磁场，定义正电流产生的偏置磁场方向与X轴和Z轴正方向成45度夹角，初始产生的偏置磁场在X‑Z平面内；所述亥姆霍兹线圈(106)通过转动机构绕Z轴旋转，产生Y‑Z平面内的偏置磁场；所述X‑Y‑Z轴的定义如下：第二直角棱镜(107)和第二透镜(108)的中心轴线定义为X轴，激光在原子样品池(105)中的传播反方向定义为Z轴，Y轴垂直于X‑Z平面，指向纸面外，其特征在于步骤如下：(1)设置所述亥姆霍兹线圈(106)内的电流值为零，测量此时的待测磁场大小为B；(2)扫描亥姆霍兹线圈(106)内电流值，范围‑Imax～Imax，判断相干粒子数俘获效应产生的中间峰幅度；当中间峰幅度为零时，产生偏置磁场的Z轴分量与待测磁场的Z轴分量相抵消，记录此时所述亥姆霍兹线圈(106)内电流值为Iset，对应的偏置磁场为其中B0为偏置磁场的标量大小，计算获得待测磁场的Z轴分量为(3)保持亥姆霍兹线圈(106)内电流值为Iset不变，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B1，计算得出待测磁场的X轴分量(4)保持亥姆霍兹线圈(106)内电流值为Iset不变，将亥姆霍兹线圈(106)绕Z轴沿顺时针旋转90度，则偏置磁场位于Y‑Z平面内，测得此时待测磁场与偏置磁场合成的总磁场大小为B2，计算获得待测磁场的Y轴分量