本發(fā)明涉及磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙軸原子自旋磁強(qiáng)計(jì)，可同時(shí)獲得雙軸矢量磁場信息，具有靈敏度高、集成度高與成本低的優(yōu)點(diǎn)，有利于形成磁強(qiáng)計(jì)陣列，可應(yīng)用于心磁、腦磁測量等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對于極弱磁場測量的需求日益迫切，尤其是在醫(yī)療器械和水下反潛等領(lǐng)域，因此超高靈敏度磁強(qiáng)計(jì)的發(fā)展直接影響著國家綜合實(shí)力的提升和人民生活水平的提高。超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)(SQUID)是目前使用最廣的靈敏度較高的磁強(qiáng)計(jì)，但其需要工作在超低溫條件下，因此要求提供穩(wěn)定的冷卻系統(tǒng)，致使設(shè)備體積大并且成本高。近年來，隨著人們對量子物理的探索不斷深入，由普林斯頓大學(xué)的Romalis小組提出的無自旋交換弛豫(Spin Exchange Relaxation Free Regime,SERF)原子磁強(qiáng)計(jì)(簡稱SERF磁強(qiáng)計(jì))有極高的理論靈敏度，并且到目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)低頻磁場測量靈敏度亞飛特量級，遠(yuǎn)超過SQUID的性能，然而只有單軸SERF原子磁強(qiáng)計(jì)的低頻磁場測量靈敏度能達(dá)到飛特量級，測量效率低，不利于形成集成度高的磁強(qiáng)計(jì)陣列。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種靈敏度高、集成度高的雙軸SERF原子磁強(qiáng)計(jì)，可同時(shí)對兩個(gè)方向的磁場進(jìn)行測量，提高了測量效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種雙軸原子自旋磁強(qiáng)計(jì)，包括堿金屬氣室12、無磁電加熱設(shè)備13、三維磁線圈14、磁屏蔽層15、抽運(yùn)激光模塊18和檢測激光模塊19。堿金屬氣室12安裝于原子磁強(qiáng)計(jì)中心處，其外部結(jié)構(gòu)依次為無磁電加熱設(shè)備13、三維磁線圈14和磁屏蔽層15，其中無磁電加熱設(shè)備13用于對堿金屬氣室12進(jìn)行加熱，三維磁線圈14用于生成作用于原子的直流或交流磁場，磁屏蔽層15則用于屏蔽外界磁場對原子的干擾。檢測激光模塊19的主檢測光束由檢測光激光器1發(fā)出，依次通過第一起偏器2、調(diào)制器3、第一1/4波片4、分光棱鏡5而后分為第一檢測光束和第二檢測光束；第一檢測光束沿x軸方向傳播，依次通過堿金屬氣室12、第一檢偏器6、第一光電探測器7，而后光信號被轉(zhuǎn)換成電流信號輸送給鎖相放大器16進(jìn)行解調(diào)，用于獲得堿金屬氣室12中原子敏感到的矢量磁場強(qiáng)度，最后解調(diào)得到的磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)在信號處理器17中處理顯示，其中第一起偏器2的透光軸方向與第一1/4波片4的主軸方向、調(diào)制器3的主軸方向、第一檢偏器6的透光軸方向之間的夾角分別為0°、45°和90°；第二檢測光束經(jīng)過平面反射鏡改變傳播方向，最后沿y軸方向通過堿金屬氣室12，而后光學(xué)設(shè)計(jì)與第一檢測光束相同，依次經(jīng)過檢偏器和光電探測器后光信號被轉(zhuǎn)換成電信號輸送給鎖相放大器16進(jìn)行解調(diào)，用于獲得堿金屬氣室12中原子敏感到的矢量磁場強(qiáng)度，最后解調(diào)得到的磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)在信號處理器17中處理顯示；抽運(yùn)激光模塊18的抽運(yùn)光束由抽運(yùn)光激光器8發(fā)出，沿z軸方向傳播，依次經(jīng)過第二起偏器9、1/2波片10、第二1/4波片11，而后變?yōu)閳A偏振光，最后穿過堿金屬氣室12極化堿金屬原子。

所述抽運(yùn)光束為圓偏振激光，用于極化堿金屬原子。第一檢測光束和第二檢測光束均為線偏振激光，通過檢測磁場強(qiáng)度變化引起的檢測光光偏振方向的變化，測得y軸方向和x軸方向磁場強(qiáng)度。在通過堿金屬氣室12時(shí)，抽運(yùn)光束沿z軸方向傳播，第一檢測光束沿x軸方向傳播，第二檢測光束沿y軸方向傳播，三束光束的傳播方向兩兩相互垂直，并且在堿金屬氣室12中心處相匯。

所述堿金屬氣室12中封有堿金屬原子、淬滅氣體和緩沖氣體，工作原子為堿金屬原子，工作時(shí)處于無自旋交換弛豫狀態(tài)，即SERF態(tài)；淬滅氣體用于吸收激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)堿金屬原子釋放的光子，保證抽運(yùn)光對原子的極化；緩沖氣體為惰性氣體，用來減小原子的自旋碰撞。

所述調(diào)制器3可選用聲光調(diào)制器、光彈調(diào)制器或電光調(diào)制器。

所述一種雙軸原子自旋磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行雙軸矢量磁場檢測的原理為：

(1)啟動無磁電加熱設(shè)備13對堿金屬氣室12加熱到設(shè)置溫度，而后通過控制三維磁線圈14的電流量，調(diào)節(jié)三維磁線圈14產(chǎn)生的磁場，使堿金屬氣室12內(nèi)抽運(yùn)光束、第一檢測光束和第二檢測光束傳播方向的剩余磁場補(bǔ)償至零，避免外界剩余磁場對測量結(jié)果的影響，使堿金屬原子工作在無自旋交換弛豫狀態(tài)。

(2)在通過堿金屬氣室12時(shí)，抽運(yùn)光束沿z軸方向，用于極化堿金屬原子；第一檢測光束沿x軸方向，用于檢測y軸方向磁場大小；第二檢測光束沿y軸方向，用于檢測x軸方向磁場大小，即：

雙軸磁強(qiáng)計(jì)電子橫向極化率，即電子自旋穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：

其中等效磁場為電子自旋縱向極化率，P_x為電子x軸方向極化率，P_y為電子y軸方向極化率，R_p為抽運(yùn)光束對電子的光抽運(yùn)率，R_rel為電子的弛豫率，為被測環(huán)境磁場強(qiáng)度矢量，一般在飛特量級，γ_e為堿金屬電子的旋磁比。

堿金屬原子在SERF態(tài)下，環(huán)境磁場一般在飛特量級，故有忽略二階小量，電子橫向極化率簡化為：

其中R_p為抽運(yùn)光束對電子的光抽運(yùn)率，R_rel為電子的弛豫率，γ_e為堿金屬電子的旋磁比，為電子自旋縱向極化率，P_x為電子x軸方向極化率，P_y為電子y軸方向極化率，B_x為x軸方向待測磁場強(qiáng)度，B_y為y軸方向待測磁場強(qiáng)度。最終可通過第一檢測光束得到y(tǒng)軸待測磁場強(qiáng)度B_y，通過第二檢測光束得到x軸待測磁場強(qiáng)度B_x。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，整體設(shè)計(jì)上不需要制冷系統(tǒng)，所以具有體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)；并且能夠同時(shí)敏感兩個(gè)方向的磁場信息，具有高的磁場測量靈敏度和穩(wěn)定性，提高了測量效率和集成度，有利于形成磁強(qiáng)計(jì)陣列，在腦磁、心磁測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種雙軸原子自旋磁強(qiáng)計(jì)示意圖。

圖2為透過堿金屬氣室的光路示意圖。

圖中：1——檢測光激光器，2——第一起偏器，3——調(diào)制器，4——第一1/4波片，5——分光棱鏡，6——第一檢偏器，7——第一光電探測器，8——抽運(yùn)光束激光器，9——第二起偏器，10——1/2波片，11——第二1/4波片，12——堿金屬氣室，13——無磁電加熱設(shè)備，14——三維磁線圈，15——磁屏蔽層，16——鎖相放大器，17——信號處理器，18——抽運(yùn)激光模塊，19——檢測激光模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖1所示，本發(fā)明提出一種雙軸原子自旋磁強(qiáng)計(jì)，包括堿金屬氣室12、無磁電加熱設(shè)備13、三維磁線圈14、磁屏蔽層15、抽運(yùn)激光模塊18和檢測激光模塊19。堿金屬氣室12安裝于原子磁強(qiáng)計(jì)中心處，其外部結(jié)構(gòu)沿徑向方向依次為無磁電加熱設(shè)備13、三維磁線圈14和磁屏蔽層15，其中無磁電加熱設(shè)備13用于對堿金屬氣室12進(jìn)行加熱，三維磁線圈14用于生成作用于原子的直流或交流磁場，磁屏蔽層15則用于屏蔽外界磁場對原子的干擾。檢測激光模塊19的主檢測光束由檢測光激光器1發(fā)出，依次通過第一起偏器2、調(diào)制器3、第一1/4波片4、分光棱鏡5，而后分為第一檢測光束和第二檢測光束；第一檢測光束沿x軸方向傳播，依次通過堿金屬氣室12、第一檢偏器6、第一光電探測器7，而后光信號被轉(zhuǎn)換成電流信號輸送給鎖相放大器16進(jìn)行解調(diào)，用于獲得堿金屬氣室12中原子敏感到的矢量磁場強(qiáng)度，最后解調(diào)得到的磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)在信號處理器17中處理顯示，其中第一起偏器2的透光軸方向與第一1/4波片4的主軸方向、調(diào)制器3的主軸方向、第一檢偏器6的透光軸方向之間的夾角分別為0°、45°和90°；第二檢測光束經(jīng)過平面反射鏡改變傳播方向，最后沿y軸方向通過堿金屬氣室12，而后光學(xué)設(shè)計(jì)與第一檢測光束相同，依次經(jīng)過檢偏器和光電探測器后光信號被轉(zhuǎn)換成電信號輸送給鎖相放大器16進(jìn)行解調(diào)，用于獲得堿金屬氣室12中原子敏感到的矢量磁場強(qiáng)度，最后解調(diào)得到的磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)在信號處理器17中處理顯示；抽運(yùn)激光模塊18的抽運(yùn)光束由抽運(yùn)光激光器8發(fā)出，沿z軸方向傳播，依次經(jīng)過第二起偏器9、1/2波片10、第二1/4波片11，而后變?yōu)閳A偏振光，最后穿過堿金屬氣室12極化堿金屬原子。

如圖2所示，在通過堿金屬氣室12時(shí)，抽運(yùn)光束沿z軸方向傳播，第一檢測光束沿x軸方向傳播，第二檢測光束沿y軸方向傳播，三束光束的傳播方向兩兩相互垂直，并且在堿金屬氣室12中心處相匯。第一檢測光束和第二檢測光束均為線偏振激光，通過檢測磁場強(qiáng)度變化引起的檢測光光偏振方向的變化，測得y軸方向和x軸方向磁場強(qiáng)度。

所述堿金屬氣室12中封有堿金屬原子、淬滅氣體和緩沖氣體，工作原子為堿金屬原子，一般為K、Rb、Cs等中的一種或多種堿金屬元素，工作時(shí)處于無自旋交換弛豫狀態(tài)，即SERF態(tài)；淬滅氣體用于吸收激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)堿金屬原子釋放的光子，保證抽運(yùn)光對原子的極化，一般為N₂或者H₂；緩沖氣體為惰性氣體，用來減小原子的自旋碰撞，一般為⁴He。

所述調(diào)制器3可選用聲光調(diào)制器、光彈調(diào)制器或電光調(diào)制器。

所述一種雙軸原子自旋磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行雙軸矢量磁場檢測的原理為：

(1)啟動無磁電加熱設(shè)備13，對堿金屬氣室12加熱到設(shè)置溫度，一般在150℃到200℃之間，而后通過控制三維磁線圈14的電流量，調(diào)節(jié)三維磁線圈14產(chǎn)生的磁場,使堿金屬氣室12內(nèi)抽運(yùn)光束、第一檢測光束和第二檢測光束傳播方向的剩余磁場補(bǔ)償至零，避免外界剩余磁場對測量結(jié)果的影響，使堿金屬原子工作在無自旋交換弛豫狀態(tài)，即SERF態(tài)。

(2)在通過堿金屬氣室12時(shí)，抽運(yùn)光束沿z軸方向，用于極化堿金屬原子；第一檢測光束沿x軸方向，用于檢測y軸方向磁場大??；第二檢測光束沿y軸方向，用于檢測x軸方向磁場大小，即：

雙軸磁強(qiáng)計(jì)電子橫向極化率，即電子自旋穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：

其中等效磁場為電子自旋縱向極化率，P_x為電子x軸方向極化率，P_y為電子y軸方向極化率，R_p為抽運(yùn)光束對電子的光抽運(yùn)率，R_rel為電子的弛豫率，為被測環(huán)境磁場強(qiáng)度矢量，一般在飛特量級，γ_e為堿金屬電子的旋磁比。

堿金屬原子在SERF態(tài)下，環(huán)境磁場一般在飛特量級，故有忽略二階小量，電子橫向極化率簡化為：

其中R_p為抽運(yùn)光束對電子的光抽運(yùn)率，R_rel為電子的弛豫率，γ_e為堿金屬電子的旋磁比，為電子自旋縱向極化率，P_x為電子x軸方向極化率，P_y為電子y軸方向極化率，B_x為x軸方向待測磁場強(qiáng)度，B_y為y軸方向待測磁場強(qiáng)度。最終可通過第一檢測光束得到y(tǒng)軸被測磁場強(qiáng)度B_y，通過第二檢測光束得到x軸被測磁場強(qiáng)度B_x。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，進(jìn)行的任何替換和改進(jìn)都是允許的，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍。