全光法原子磁强计中弱磁信号检测研究进展

准确地探测和测量磁场,特别是极弱磁场(nT级以下),对理解物理世界可以起到更好的辅助作用。随着量子传感、信息、仪器仪表等技术的发展,原子磁场测量技术成为新一代超高灵敏磁场测量技术的发展方向。综述了原子磁强计中信号测量、调制方法、研究进展、设计方案以及实际应用的情况。首先介绍了近年来国内外原子磁强计的研究现状;其次阐述了全光法原子磁强计的基本原理;接着详细讲解了弱磁信号检测原理,并对不同的调制方法进行了比较;最后对弱磁信号高灵敏度的检测在今后的改进方向、应用领域和所面临的挑战进行了展望。

原子磁强计标定测试教学实验平台构建

原子磁强计是近年来发展非常迅速的一种量子传感器,它利用激光检测碱金属原子自旋在磁场中的拉莫尔进动从而实现磁场测量,可达到fT(10^(-15)T)级甚至更高的测量灵敏度。为了解决学生对于原子磁强计工作原理以及极弱磁场量级理解较为困难等问题,搭建了原子磁强计标定测试教学实验平台。该平台主要由多层坡莫合金磁屏蔽桶、三轴匀强磁场线圈、高精度电流源、磁通门磁强计、原子磁强计以及上位机组成。该平台可以强化学生的实验动手能力,同时也为研究生和本科生的相关课程提供了有力支撑。

一种应用于低频电磁波通信的快响应原子磁强计

相较于传统线圈,原子磁强计作为低频电磁波通信信号磁传感接收器具有体积小、灵敏度高的优势。基于射频光双共振原理实现原子的宏观极化和相干进动,并通过探测磁矩横向分量来获得待测磁场信息,最终实现一台灵敏度500 fT/Hz 1/2@1~5 Hz,响应带宽3.5 kHz的原子磁强计。并利用该原子磁强计作为磁传感器对频率200 Hz、磁场分量幅度10 nT的电磁波开展了通过探测磁场分量接收通信信号的实验,实现码率200/s的电磁波通信信号的接收,验证了该磁强计作为接收机接收低频电磁波通信信号的能力。

无自旋交换弛豫原子磁强计的主动磁补偿

由于外界磁场扰动会降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计的磁场测量灵敏度,本文根据SERF原子磁强计的测量原理,提出了一种基于原位磁测补偿外部磁场扰动的方法。该方法通过调制解调的方法对3个方向的磁场进行解耦,实现3个方向磁场信息的独立测量。然后,将3个方向磁场的测量信息作为反馈,调节电流源输出给线圈的电流,使线圈产生一个与外界扰动磁场大小相同方向相反的补偿磁场。最后,在现有的SERF原子磁强计实验平台上搭建了主动磁补偿系统,实现了对外部扰动磁场的补偿。与手动补偿方式相比,本文提出的主动磁补偿方法可将剩余磁场的平均值从0.317 8nT降低到0.040 4nT,同时将剩余磁场的均方差由0.348 1nT降低到0.024 7nT。得到的实验结果验证了本文所述方法的有效性。

原子磁强计原子气室无磁加热温控系统设计

介绍一种用于原子磁强计原子气室的无磁加热温控系统设计。针对温控系统加热电流产生的磁场干扰,设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件,该加热器件利用同层平行反向电流和层间平行反向电流产生的磁场相互抵消以减小加热电流磁场噪声;设计了滑动平均滤波器对采集的温度信号实施滤波以减小随机噪声的干扰;结合设计的高频加热信号的产生电路、幅度控制电路和功率放大电路开展了实验测试。测试结果表明,研制的双层加热丝加热膜结构加热器件相比单层加热丝加热膜结构加热器件的电流磁场噪声抑制能力提高了约16倍,实现的无磁加热温控系统的温控能力达到1. 2‰。

基于光弹调制的原子磁强计中光信号检测方法

在无自旋交换弛豫原子磁强计中,需要检测极小的旋光角度。基于光弹调制器的偏振调制技术由于其较低的噪声和长时间的稳定性在各种检测方法中是优选的。但光弹调制器的输出信号里包含有大量噪声和高次谐波,严重影响了原子磁强计的性能。针对以上问题分析了基于光弹调制器的偏振调制技术的原理和待检测信号的特性,并提出一种基于双通道数字锁相放大器的原子磁强计微弱信号检测方法。该方法简化锁相放大算法,减小电路复杂度,并能准确地同时检测一次谐波和二次谐波的幅值。理论分析和仿真结果表明,该检测系统工作良好,可以准确地检测微弱信号,误差在0.1%以内。

SERF原子磁强计自适应参数标定方法研究

由于串扰、AC-Stark效应等因素的影响,导致SERF原子磁强计的空间位置(三维坐标以及灵敏轴指向)以及增益系数发生偏差,直接影响磁源定位的精度。针对以上问题,提出了一种自适应的SERF原子磁强计参数标定方法。基于磁偶极子模型设计了标定装置,装置由24个精密加工的圆线圈组成,用来施加标定磁源。提出了一种改进的自适应精英遗传算法,以同时标定磁强计的相关参数。实验结果表明,算法拟合得到的实际磁场曲线和理论磁场曲线之间的平均相关系数为99.55%,x轴坐标值漂移最明显,平均绝对偏差为2.63 mm,灵敏轴的平均绝对偏差为8.21°,这意味着在磁源定位前,需要对传感器参数进行准确测量。提出的标定方法对于提高磁源定位精度具有一定的参考意义。

SERF原子磁强计用半导体激光器驱动系统

在无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)原子磁强计中,半导体激光器被用于极化碱金属原子和检测原子极化率,激光器出射光稳定与否直接关系到SERF原子磁强计的灵敏度,为了保证半导体激光器稳定工作,需要高性能的电流和温度控制单元。通过对激光器控制原理进行研究,以温度控制模块MTD415T和电流控制模块MLD203CHB为核心,通过"集成芯片+外部保护/降噪电路+上位机"的方式构建了一套半导体激光器驱动系统,实现了半导体激光器高稳定性的温度和电流控制,温度稳定性优于±5.0 m K,电流稳定性优于±2.1μA,同时相比较商用的控制器,体积大幅度缩小,促进了SERF原子磁强计的小型集成化。

SERF原子磁强计最新进展及应用综述

超高灵敏度磁场测量具有重要的科学和经济意义。利用原子自旋效应进行物理量的精密测量已成为近年来实验物理领域的一种重要手段,其中无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计因其具备的超高灵敏度而备受关注。碱金属气室是SERF原子磁强计的灵敏核心,原子源种类决定了其测量灵敏度的极限。将SERF原子磁强计的研究成果按照碱金属原子源分类总结,分析其研究方法,综述其研究进展以及在实际应用中所取得的突破,对SERF原子磁强计有待进一步拓展的方向和所面临的挑战进行展望,对该领域未来的研究有重要的参考意义与实用价值。

采用反抽运光改善光泵铷原子磁强计的灵敏度

在光泵原子磁强计的实验装置中,窄线宽及高信噪比的磁共振信号是实现高灵敏度磁强计的充要条件.本文的实验中利用795 nm波长窄线宽单频连续极化光(同时也是探测光)对比研究了不同类型铷原子气室、不同温度下典型的磁共振信号,在镀石蜡的铷原子气室中获得最优化的磁共振信号.通过引入铷原子D2线780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光,研究了激光功率对磁共振信号信噪比和线宽的影响.实验表明,780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光的引入使得铷-85原子磁共振信号的信号幅值有明显提高并且线宽没有明显展宽.引入780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光后,闭环锁定的铷-85原子磁强计在约1.2 kHz频率带宽范围内灵敏度约为26.4 pT/Hz^(1/2),相比仅有795 nm波长窄线宽单频连续极化光(同时也是探测光)存在时提高了近1个数量级.同时本实验利用增强后的铷原子磁共振信号对一种商用的磁通门磁强计在弱磁场测量时的准确度和偏差进行了校准.

一种用于非屏蔽SERF态原子磁强计的电流源设计

设计了一种用于非屏蔽SERF态原子磁强计的电流源。利用运算放大器和MOSFET构建基本的电流负反馈V/I转换电路,采用高性能元器件降低输出电流纹波,并通过频率补偿的方法使电路稳定。测试结果表明:在恒负载的条件下,电流源的输出范围为0～500mA,纹波电流小于30.5μA,对应磁场的稳定性优于10 nT,满足非屏蔽情况下原子磁强计利用磁补偿制备SERF态的要求。

单光束小型化全光原子磁强计的设计与热场分析

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计是一种超高灵敏度磁强计,其小型化的研究对磁强计应用至关重要。其中,光路布局是制约其尺寸与灵敏度的关键因素。设计了一种单光束小型化原子磁强计,该磁强计为圆柱体,底面圆直径为21.2 mm,高为40.5 mm,并对其进行了热仿真实验。实验表明,该设计结构合理,且易于进行多通道测量,在脑磁图、心磁图等生物磁场测量领域具有实际应用价值。

基于SERF原子磁强计的三轴磁场顺序补偿方法研究

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计是一种灵敏度非常高的磁强计,而剩余磁场强度是影响SERF原子磁强计灵敏度的主要因素之一。为此,提出了一种SERF原子磁强计三轴磁场顺序补偿方法,该方法将剩磁范围分为三个部分,每个部分对应不同的补偿方式,并且使用软件对顺序补偿的整个过程进行了仿真实验。实验表明,该方法可以不受补偿前原始剩磁大小的影响,更具有普适性。

原子磁强计检测光闭环稳定系统设计

SERF态原子磁强计已实现人类历史上最高的0.16fT/Hz1/2的灵敏度。其检测方法主要是法拉第调制法。但法拉第调制法中光电流摄动或环境温度变化等干扰导致的检测光强的起伏会造成检测结果的不准确。为抑制检测光强起伏,设计了闭环原子磁强计检测光稳定系统。在法拉第调制法的基础上,增加了光路子系统和控制子系统对检测光强进行闭环稳定控制。通过对随机干扰进行闭环控制仿真与实验,验证本系统可以有效抑制各种干扰引起的光强起伏,使系统抗干扰能力提高1.2%,从而提高原子磁强计的检测精度。

基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪实验优化

核磁共振陀螺仪内嵌三维原子磁强计是实现核磁共振陀螺仪小型化的一种有效途径,故介绍了一种基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪。对影响三维原子磁强计性能的重要参数进行了优化,得到了较优的x轴、y轴和z轴磁强计信号标度因子,进而实现了更灵敏的三维原子磁强计。在三维磁场闭环锁定6000s后,测得核磁共振陀螺仪的角度随机游走和零偏稳定性分别为0.038(°)/h1/2和0.94(°)/h。

可芯片化的激光抽运Mz型原子磁强计参数研究

激光抽运M z型原子磁强计具有体积小、功耗低和灵敏度高的优点。介绍了激光抽运M z型原子磁强计的工作原理,研究了该类型原子磁强计中激光功率和射频场强度对磁共振信号的影响,并对当前实现的原子磁强计样机中射频线圈的磁场强度均匀性对磁共振信号的影响进行了仿真分析。最后,给出了当前实现的原子磁强计样机的性能参数,并讨论了实现芯片级原子磁强计的可行性。

^3He原子磁强计技术

^3He原子磁强计利用^3He核自旋的拉莫尔进动测量磁场,具有高精度、小体积等特点,可以满足未来网络化磁异常探测对高性能磁强计的需求.围绕^3He原子磁强计的技术特点,重点介绍了该磁强计的基本工作原理及其硬件组成,分析了其理论灵敏度,给出了该磁强计的国内外研究情况,最后对该磁强计技术的未来发展进行了展望.

铯光泵原子磁强计研制进展

铯光泵原子磁强计利用极化铯原子自旋拉莫尔相干进动探测和测量磁场,具有精度高、响应快等特点。围绕铯光泵原子磁强计的技术特点,重点介绍了其工作原理及研制工作,实现了一款铯光泵原子磁强计整机。测试结果表明,该款磁强计磁场测量范围为20000~100000nT,峰-峰噪声值为0.0017nT,能满足磁异常探测对高精度磁强计的需求。

原子磁强计中碱金属原子气室无磁电加热系统设计

原子气室温度控制是超高灵敏度仪器原子磁强计的关键技术之一,本文针对原子磁强计现有原子气室电加热存在的磁噪声过大的问题,设计了特殊走线的双层加热膜,利用相邻加热丝中大小相等、方向相反的电流,使其尽可能的抵消加热时加热丝产生的磁场干扰。加热膜产生的热量通过圆柱形加热结构将热量传导给气室,气室温度与设计温度之间误差小于0.1℃,同时双层结构加热膜产生的磁场干扰明显小于单层结构,本文的设计对原子磁强计的性能提升有明显的帮助。

基于同步双口SRAM的原子磁强计磁共振相位提取系统设计

针对原子磁强计磁共振激励信号相位提取过程中,数据量大、实时性强、同步要求高等特点,设计了一种基于同步双口SRAM的磁共振相位信息提取系统。首先利用FPGA控制高速同步采样AD进行数据转换;然后经同步双口SRAM实现数据的高速缓存和同步读写;最后由DSP经外部中断触发定时读取缓存的数据,并进行数字锁相处理,提取相位信息。实验结果表明:该系统对频率为35~350kHz之间的正弦信号相位提取稳定度达到0.006°,满足原子磁强计静态噪声小于20pT的应用要求。