本發(fā)明屬于弱磁檢測領(lǐng)域，具體提供一種基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，適用于零磁環(huán)境下弱磁場高精度測量，并實現(xiàn)三軸磁場同時測量。

背景技術(shù)：

1、得益于量子技術(shù)發(fā)展，基于原子自旋效應(yīng)的超高靈敏磁場測量技術(shù)得到廣泛的研究，它結(jié)合了原子物理學(xué)、量子光學(xué)、精密測量等眾多學(xué)科，擁有著世界最高的磁場測量靈敏度。原子磁力儀相比于其他磁場測量設(shè)備，具有超高靈敏度、體積小等特點，是目前最靈敏的磁場測量設(shè)備，也是當(dāng)前弱磁探測的重點研究方向。

2、基于無自旋交換弛豫的原子磁力儀的基本原理在于利用原子自旋對磁場的敏感特性進行磁場測量，其靈敏度主要受限于自旋弛豫帶來的量子噪聲；對于傳統(tǒng)的原子磁力儀，堿金屬原子的極化率和極化均勻性往往難以均衡，限制了原子磁力儀的靈敏度；此外，對于磁源定位等應(yīng)用，三軸矢量測量的實現(xiàn)至關(guān)重要，現(xiàn)有的三軸矢量原子磁力儀難以實現(xiàn)高靈敏度同時測量。因此，研究一種高靈敏度同時測量的三軸矢量原子磁力儀十分關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對三軸矢量原子磁力儀三軸同時測量過程中存在的靈敏度過低的問題，提供一種基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，用以實現(xiàn)三軸磁場同時測量，且具有超高靈敏度的優(yōu)點，對實現(xiàn)高靈敏三軸矢量磁場測量具有重要的意義。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，包括：光源部分、泵浦光路部分、探測光路部分、原子氣室部分及信號采集部分；其特征在于，原子氣室部分采用雙氣室結(jié)構(gòu)，每個原子氣室采用k-rb原子混合泵浦；光源部分出射探測光與泵浦光，泵浦光經(jīng)泵浦光路部分后分別入射至兩個原子氣室，探測光經(jīng)探測光路部分后分別入射至兩個原子氣室，每個原子氣室具有一束泵浦光與兩束探測光、且探測光路與泵浦光路均形成正交探測結(jié)構(gòu)，同時兩個原子氣室的泵浦光路方向不同；信號采集部分采集原子氣室出射探測光并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出電磁信號。

4、進一步的，所述原子氣室部分包括：第一原子氣室、第二原子氣室，且二者均設(shè)置于磁屏蔽結(jié)構(gòu)中；其中，每個原子氣室充有k原子蒸汽、rb原子蒸汽以及淬滅氣體、緩沖氣體，k原子蒸汽與rb原子蒸汽構(gòu)成混合泵浦，k與rb的摩爾比為1:(100～270)，淬滅氣體采用n2，緩沖氣體采用he，n2與he均超過一個大氣壓。

5、進一步的，所述原子氣室部分中，第一個原子氣室的泵浦光路沿y方向、探測光路沿x方向與z方向，第二個原子氣室的泵浦光路沿z方向、探測光路沿x方向與y方向。

6、進一步的，所述光源部分包括：泵浦激光器與探測激光器，其中，泵浦激光器調(diào)諧到k原子的d1線、波長為780nm，探測激光器調(diào)諧到rb原子的d1線、波長為795nm。

7、進一步的，所述泵浦光路部分包括：一分二光纖分束器與圓偏振片；其中，泵浦光經(jīng)過一分二光纖分束器等分為兩束，每束泵浦光由準(zhǔn)直頭入射至圓偏振片后轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振光，兩束泵浦光分別入射至兩個原子氣室。

8、進一步的，所述探測光路部分包括：起偏器、法拉第調(diào)制器、一分四光纖分束器與檢偏器；其中，探測光經(jīng)起偏器后形成線偏振光，并由法拉第調(diào)制器進行調(diào)制，再通過一分四光纖分束器等分為四束，四束探測光分為兩組、且分別入射至兩個原子氣室，每組中兩束探測光經(jīng)準(zhǔn)直頭后沿兩個方向入射至原子氣室，四束探測光經(jīng)原子氣室透射后分別經(jīng)過檢偏器被信號采集部分收集。

9、進一步的，所述信號采集部分包括：四個pd探頭、兩個雙通道鎖相放大器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；其中，雙通道鎖相放大器與原子氣室一一對應(yīng)，pd探頭采集四個方向的探測光，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后對應(yīng)傳輸至雙通道鎖相放大器，經(jīng)解調(diào)放大后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，最后由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提取得到磁場信號。

10、基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果在于：

11、本發(fā)明提供一種基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，創(chuàng)造性的提出雙氣室結(jié)構(gòu)、混合泵浦與雙光路探測結(jié)構(gòu)相結(jié)合的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)原子磁力儀的高靈敏度三軸矢量檢測；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用混合泵浦技術(shù)確保堿金屬原子極化率的同時提高極化均勻度，同時，采用雙光路探測結(jié)構(gòu)結(jié)合法拉第旋光檢測技術(shù)取代單光路結(jié)構(gòu)磁場調(diào)制技術(shù)，避免多軸測量過程中磁場串?dāng)_的問題，具有三軸同時測量、靈敏度高且多軸靈敏度差距較小的優(yōu)點。

技術(shù)特征：

1.一種基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，包括：光源部分、泵浦光路部分、探測光路部分、原子氣室部分及信號采集部分；其特征在于，原子氣室部分采用雙氣室結(jié)構(gòu)，每個原子氣室采用k-rb原子混合泵浦；光源部分出射探測光與泵浦光，泵浦光經(jīng)泵浦光路部分后分別入射至兩個原子氣室，探測光經(jīng)探測光路部分后分別入射至兩個原子氣室，每個原子氣室具有一束泵浦光與兩束探測光、且探測光路與泵浦光路均形成正交探測結(jié)構(gòu)，同時兩個原子氣室的泵浦光路方向不同；信號采集部分采集原子氣室出射探測光并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出電磁信號。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，其特征在于，所述原子氣室部分包括：第一原子氣室、第二原子氣室，且二者均設(shè)置于磁屏蔽結(jié)構(gòu)中；其中，每個原子氣室充有k原子蒸汽、rb原子蒸汽以及淬滅氣體、緩沖氣體，k原子蒸汽與rb原子蒸汽構(gòu)成混合泵浦，k與rb的摩爾比為1:(100～270)，淬滅氣體采用n2，緩沖氣體采用he，n2與he均超過一個大氣壓。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，其特征在于，所述原子氣室部分中，第一個原子氣室的泵浦光路沿y方向、探測光路沿x方向與z方向，第二個原子氣室的泵浦光路沿z方向、探測光路沿x方向與y方向。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，其特征在于，所述光源部分包括：泵浦激光器與探測激光器，其中，泵浦激光器調(diào)諧到k原子的d1線、波長為780nm，探測激光器調(diào)諧到rb原子的d1線、波長為795nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，其特征在于，所述泵浦光路部分包括：一分二光纖分束器與圓偏振片；其中，泵浦光經(jīng)過一分二光纖分束器等分為兩束，每束泵浦光由準(zhǔn)直頭入射至圓偏振片后轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振光，兩束泵浦光分別入射至兩個原子氣室。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，其特征在于，所述探測光路部分包括：起偏器、法拉第調(diào)制器、一分四光纖分束器與檢偏器；其中，探測光經(jīng)起偏器后形成線偏振光，并由法拉第調(diào)制器進行調(diào)制，再通過一分四光纖分束器等分為四束，四束探測光分為兩組、且分別入射至兩個原子氣室，每組中兩束探測光經(jīng)準(zhǔn)直頭后沿兩個方向入射至原子氣室，四束探測光經(jīng)原子氣室透射后分別經(jīng)過檢偏器被信號采集部分收集。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，其特征在于，所述信號采集部分包括：四個pd探頭、兩個雙通道鎖相放大器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；其中，雙通道鎖相放大器與原子氣室一一對應(yīng)，pd探頭采集四個方向的探測光，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后對應(yīng)傳輸至雙通道鎖相放大器，經(jīng)解調(diào)放大后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，最后由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提取得到磁場信號。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于弱磁檢測領(lǐng)域，具體提供一種基于混合泵浦的三軸矢量原子磁力儀，用以解決三軸矢量原子磁力儀三軸同時測量過程中存在的靈敏度過低的問題。本發(fā)明中三軸矢量原子磁力儀包括：光源部分、泵浦光路部分、探測光路部分、原子氣室部分、信號采集部分，其中，原子氣室部分采用雙氣室結(jié)構(gòu)，每個原子氣室采用K?Rb原子混合泵浦；光路部分采用泵浦?探測正交探測結(jié)構(gòu)，單個原子氣室采用一束泵浦光與兩束檢測光；通過雙氣室結(jié)構(gòu)、混合泵浦與雙光路探測結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造性設(shè)計，提升了三軸測量靈敏度，避免了傳統(tǒng)三軸原子磁力儀三軸測量中存在的串?dāng)_問題。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)三軸磁場同時測量，且具有超高靈敏度的優(yōu)點，對實現(xiàn)高靈敏三軸矢量磁場測量具有重要的意義。

技術(shù)研發(fā)人員：岳慧敏,陳天鵬,鄭志強,陳治州,歐中華,劉永
受保護的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26