本發(fā)明涉及磁強計技術領域，具體涉及一種雙軸原子自旋磁強計，可同時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，有利于形成磁強計陣列，可應用于心磁、腦磁測量等領域。

背景技術：

隨著社會經濟的快速發(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域，因此超高靈敏度磁強計的發(fā)展直接影響著國家綜合實力的提升和人民生活水平的提高。超導量子磁強計(SQUID)是目前使用最廣的靈敏度較高的磁強計，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，由普林斯頓大學的Romalis小組提出的無自旋交換弛豫(Spin Exchange Relaxation Free Regime,SERF)原子磁強計(簡稱SERF磁強計)有極高的理論靈敏度，并且到目前已經實現(xiàn)低頻磁場測量靈敏度亞飛特量級，遠超過SQUID的性能，然而只有單軸SERF原子磁強計的低頻磁場測量靈敏度能達到飛特量級，測量效率低，不利于形成集成度高的磁強計陣列。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的技術方案如下：一種雙軸原子自旋磁強計，包括堿金屬氣室12、無磁電加熱設備13、三維磁線圈14、磁屏蔽層15、抽運激光模塊18和檢測激光模塊19。堿金屬氣室12安裝于原子磁強計中心處，其外部結構依次為無磁電加熱設備13、三維磁線圈14和磁屏蔽層15，其中無磁電加熱設備13用于對堿金屬氣室12進行加熱，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，而后光信號被轉換成電流信號輸送給鎖相放大器16進行解調，用于獲得堿金屬氣室12中原子敏感到的矢量磁場強度，最后解調得到的磁場強度數據在信號處理器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，而后光學設計與第一檢測光束相同，依次經過檢偏器和光電探測器后光信號被轉換成電信號輸送給鎖相放大器16進行解調，用于獲得堿金屬氣室12中原子敏感到的矢量磁場強度，最后解調得到的磁場強度數據在信號處理器17中處理顯示；抽運激光模塊18的抽運光束由抽運光激光器8發(fā)出，沿z軸方向傳播，依次經過第二起偏器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軸方向磁場強度。在通過堿金屬氣室12時，抽運光束沿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)時堿金屬原子釋放的光子，保證抽運光對原子的極化；緩沖氣體為惰性氣體，用來減小原子的自旋碰撞。

所述調制器3可選用聲光調制器、光彈調制器或電光調制器。

所述一種雙軸原子自旋磁強計進行雙軸矢量磁場檢測的原理為：

(1)啟動無磁電加熱設備13對堿金屬氣室12加熱到設置溫度，而后通過控制三維磁線圈14的電流量，調節(jié)三維磁線圈14產生的磁場，使堿金屬氣室12內抽運光束、第一檢測光束和第二檢測光束傳播方向的剩余磁場補償至零，避免外界剩余磁場對測量結果的影響，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，抽運光束沿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：

雙軸磁強計電子橫向極化率，即電子自旋穩(wěn)態(tài)響應：

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為抽運光束對電子的光抽運率，R_rel為電子的弛豫率，為被測環(huán)境磁場強度矢量，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為抽運光束對電子的光抽運率，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軸方向待測磁場強度，B_y為y軸方向待測磁場強度。最終可通過第一檢測光束得到y(tǒng)軸待測磁場強度B_y，通過第二檢測光束得到x軸待測磁場強度B_x。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明結構簡單，整體設計上不需要制冷系統(tǒng)，所以具有體積小、成本低的優(yōu)點；并且能夠同時敏感兩個方向的磁場信息，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，有利于形成磁強計陣列，在腦磁、心磁測量等領域有著廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種雙軸原子自旋磁強計示意圖。

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——抽運激光模塊，19——檢測激光模塊。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明提出一種雙軸原子自旋磁強計，包括堿金屬氣室12、無磁電加熱設備13、三維磁線圈14、磁屏蔽層15、抽運激光模塊18和檢測激光模塊19。堿金屬氣室12安裝于原子磁強計中心處，其外部結構沿徑向方向依次為無磁電加熱設備13、三維磁線圈14和磁屏蔽層15，其中無磁電加熱設備13用于對堿金屬氣室12進行加熱，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，而后光信號被轉換成電流信號輸送給鎖相放大器16進行解調，用于獲得堿金屬氣室12中原子敏感到的矢量磁場強度，最后解調得到的磁場強度數據在信號處理器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，而后光學設計與第一檢測光束相同，依次經過檢偏器和光電探測器后光信號被轉換成電信號輸送給鎖相放大器16進行解調，用于獲得堿金屬氣室12中原子敏感到的矢量磁場強度，最后解調得到的磁場強度數據在信號處理器17中處理顯示；抽運激光模塊18的抽運光束由抽運光激光器8發(fā)出，沿z軸方向傳播，依次經過第二起偏器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，抽運光束沿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)時堿金屬原子釋放的光子，保證抽運光對原子的極化，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。

所述調制器3可選用聲光調制器、光彈調制器或電光調制器。

所述一種雙軸原子自旋磁強計進行雙軸矢量磁場檢測的原理為：

(1)啟動無磁電加熱設備13，對堿金屬氣室12加熱到設置溫度，一般在150℃到200℃之間，而后通過控制三維磁線圈14的電流量，調節(jié)三維磁線圈14產生的磁場,使堿金屬氣室12內抽運光束、第一檢測光束和第二檢測光束傳播方向的剩余磁場補償至零，避免外界剩余磁場對測量結果的影響，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，抽運光束沿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?。坏诙z測光束沿y軸方向，用于檢測x軸方向磁場大小，即：

雙軸磁強計電子橫向極化率，即電子自旋穩(wěn)態(tài)響應：

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為抽運光束對電子的光抽運率，R_rel為電子的弛豫率，為被測環(huán)境磁場強度矢量，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為抽運光束對電子的光抽運率，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軸方向待測磁場強度，B_y為y軸方向待測磁場強度。最終可通過第一檢測光束得到y(tǒng)軸被測磁場強度B_y，通過第二檢測光束得到x軸被測磁場強度B_x。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術：在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內，進行的任何替換和改進都是允許的，也在本發(fā)明的保護范圍。