【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微弱磁场的测量，特别是涉及一种微弱磁场测量系统及方法。
技术介绍
1、随着现代工业技术的飞速发展，人们对产品精密化、微型化的需求日益增强。微弱磁场作为精密测量中一类重要的基础参数，其测量在仪器科学与计量学、地质勘探、生物医学、先进材料与纳米技术等领域的应用价值越来越大。例如，在航天、航海导航以及远程精确制导系统中，精确测量微弱磁场是确保定位准确性和航行安全的关键。在地质勘探领域，通过对地表或地下微弱磁场变化的探测，可以揭示地质结构、矿藏分布等信息，对资源勘探、地震预测等领域有着深远影响。以脑磁图、心磁图为代表的心脑磁生物医学诊断技术主要依赖于对极微弱生物磁场的测量，能非侵入性地研究神经活动和心脏功能，对于疾病早期诊断和治疗监测具有革命性意义。在材料科学领域，微弱磁场测量对于观测和控制材料的磁性行为，开发新型磁性材料和自旋电子器件至关重要。随着科技的进步与发展，更高精度的微弱磁场测量技术将持续引领上述领域的发展，服务于精密仪器的校准、地质结构的勘探、诊疗技术的创新以及磁性材料的研发。
2、近年来，发展成熟的微弱磁场测量方法主要包括：霍尔效应法、磁阻效应法、磁共振法、磁通门法、超导效应法和磁光效应法。其中，如霍尔效应法、磁阻效应法等电学方法虽然满足易操作、低成本、响应速度快等技术优势，然而这些方法的性能往往受环境温度和电磁干扰的影响较大，在实际测量中需要进行精密补偿或校准，才能保证足够高的测量精度。磁通门法可以达到极高的磁场分辨率，十分满足微弱磁场的测量需求，同时兼顾强稳定性、低成本等优势；然而，响应速度慢
3、磁光效应法具有非接触性、易于集成、响应速度快、抗干扰性强等技术优势，一定程度上弥补了上述方法的测量缺陷。该方法通过将磁场信号转换为光偏振信号实现磁场的间接测量，因此对光偏振的依赖性较强。现有的磁光效应测量技术仍存在灵敏度和精度不高的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决现有技术对微弱磁场测量的灵敏度和精度不高的技术问题，提出一种微弱磁场测量系统及方法。
2、本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
3、一种微弱磁场测量系统，包括发光装置、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器、亥姆霍兹线圈、磁光晶体、波片组合器、非偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、光束轮廓仪；所述发光装置、第一偏振器、亥姆霍兹线圈、波片组合器、非偏振分束器沿光束传播方向依次布设，所述磁光晶体设置在所述亥姆霍兹线圈形成的磁场区域内，所述波片组合器用于补偿偏振系统误差；所述非偏振分束器用于将光能量分成两束光，一束光经所述非偏振分束器、第二偏振器、第二反射镜到达所述光束轮廓仪；另一束光经所述非偏振分束器、第三偏振器、第一反射镜、第二反射镜到达所述光束轮廓仪，通过双光路同时探测对微弱磁场进行实时测量。
4、在一些实施例中，还包括如下技术特征：
5、所述波片组合器包括第一零级四分之一波片、第二零级四分之一波片、零级半波片，所述亥姆霍兹线圈、第一零级四分之一波片、零级半波片、第二零级四分之一波片、非偏振分束器沿光束传播方向依次布设。
6、所述第一零级四分之一波片的方向为光轴沿45°方向，所述第二零级四分之一波片的方向为光轴沿-45°方向。
7、所述第一偏振器的方向为光轴沿水平偏振方向；所述第二偏振器的方向为光轴沿90°+φ方向，所述第三偏振器的方向为光轴沿90°-φ方向，其中，φ为旋转角。
8、本专利技术还提供以下技术方案：
9、一种微弱磁场测量方法，采用上述的微弱磁场测量系统，包括如下步骤：
10、s1、通过亥姆霍兹线圈制备强度均匀的磁场；
11、s2、通过磁光晶体产生磁光法拉第效应，将所述磁场产生的磁场信号线性转换为光偏振信号；
12、s3、基于弱值放大原理建立差分弱测量理论模型，并通过所述差分弱测量理论模型对所述光偏振信号进行放大，得到总光强；
13、s4、通过波片组合器补偿偏振系统误差，建立引入偏振系统误差的差分弱测量理论优化模型，通过所述差分弱测量理论优化模型对所述总光强进行修正处理，并通过归一化差分处理得到光强对比度，从而得到微弱磁场测量结果。
14、在一些实施例中，还包括如下技术特征：
15、步骤s1具体包括：
16、通过对亥姆霍兹线圈通以同方向的直流电流i，获得所述亥姆霍兹线圈在轴线[-r/2,r/2]范围内激发的强度均匀的磁场，所述磁场的中心位置的磁感应强度为
17、
18、其中，μ0＝4π×10-7n·a-2表示真空磁导率，n0表示圆线圈的匝数，r表示线圈半径。
19、在步骤s3中，所述差分弱测量理论模型为：
20、
21、其中，|ψ>为偏振系统-仪器的联合态，|ψpre>为偏振系统前选择态，|φi>为仪器的初态，表示在时间ti～tf间隔内的幺正演化算符，为偏振系统可观测量算符，是量子力学中的直积符号，表示仪器的频率算符，时间延迟充当测量模型中的耦合强度，ti、tf表示时间节点的常数，|l>、|r>为本征态，该模型满足条件|τσ|＜＜1，σ表示频率的不确定度。
22、在步骤s3中，所述光偏振信号进行弱值放大的放大系数为
23、
24、其中，η为光强对比度，ηφ为后选择角取φ(φ＜＜1)的光强对比度，ηπ/4为后选择角取π/4的光强对比度，aω为弱值，α表示相位延迟。
25、在步骤s4中，所述差分弱测量理论优化模型为：
26、
27、其中，为振幅误差作用算符，为相位误差作用算符，为非幺正算符，θ为相位误差，ε为振幅误差，γ为损耗概率。
28、在步骤s4中，所述总光强进行修正处理，并通过归一化差分处理，得到修正的光强对比度为
29、
30、其中，为后选择角取+φ的修正的后选择总光强，为后选择角取-φ的修正的后选择总光强。
31、本专利技术与现有技术对比的有益效果包括：
32、本专利技术提出的一种微弱磁场测量系统通过发光装置、偏振器、亥姆霍兹线圈、波片组合器、磁光晶体、光束轮廓仪等技术特征的设置，既能实现磁光法拉第效应的应用、偏振系统误差的补偿，同时还实现了偏振系统后选择阶段的双光路同时探测，解决了现有技术对微弱磁场测量的灵敏度和精度不高的技术问题，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种微弱磁场测量系统，其特征在于，包括发光装置、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器、亥姆霍兹线圈、磁光晶体、波片组合器、非偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、光束轮廓仪；所述发光装置、第一偏振器、亥姆霍兹线圈、波片组合器、非偏振分束器沿光束传播方向依次布设，所述磁光晶体设置在所述亥姆霍兹线圈形成的磁场区域内，所述波片组合器用于补偿偏振系统误差；所述非偏振分束器用于将光能量分成两束光，一束光经所述非偏振分束器、第二偏振器、第二反射镜到达所述光束轮廓仪；另一束光经所述非偏振分束器、第三偏振器、第一反射镜、第二反射镜到达所述光束轮廓仪，通过双光路同时探测对微弱磁场进行实时测量。
2.如权利要求1所述的微弱磁场测量系统，其特征在于，所述波片组合器包括第一零级四分之一波片、第二零级四分之一波片、零级半波片，所述亥姆霍兹线圈、第一零级四分之一波片、零级半波片、第二零级四分之一波片、非偏振分束器沿光束传播方向依次布设。
3.如权利要求2所述的微弱磁场测量系统，其特征在于，所述第一零级四分之一波片的方向为光轴沿45°方向，所述第二零级四分之一波片的方向为光轴沿-45°
4.如权利要求1所述的微弱磁场测量系统，其特征在于，所述第一偏振器的方向为光轴沿水平偏振方向；所述第二偏振器的方向为光轴沿90°+φ方向，所述第三偏振器的方向为光轴沿90°-φ方向，其中，φ为旋转角。
5.一种微弱磁场测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的微弱磁场测量系统，包括如下步骤：
6.如权利要求5所述的微弱磁场测量方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
7.如权利要求6所述的微弱磁场测量方法，其特征在于，在步骤S3中，所述差分弱测量理论模型为：
8.如权利要求7所述的微弱磁场测量方法，其特征在于，在步骤S3中，所述光偏振信号进行弱值放大的放大系数为
9.如权利要求8所述的微弱磁场测量方法，其特征在于，在步骤S4中，所述差分弱测量理论优化模型为：
10.如权利要求9所述的微弱磁场测量方法，其特征在于，在步骤S4中，所述总光强进行修正处理，并通过归一化差分处理，得到修正的光强对比度为
...【技术特征摘要】
1.一种微弱磁场测量系统，其特征在于，包括发光装置、第一偏振器、第二偏振器、第三偏振器、亥姆霍兹线圈、磁光晶体、波片组合器、非偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、光束轮廓仪；所述发光装置、第一偏振器、亥姆霍兹线圈、波片组合器、非偏振分束器沿光束传播方向依次布设，所述磁光晶体设置在所述亥姆霍兹线圈形成的磁场区域内，所述波片组合器用于补偿偏振系统误差；所述非偏振分束器用于将光能量分成两束光，一束光经所述非偏振分束器、第二偏振器、第二反射镜到达所述光束轮廓仪；另一束光经所述非偏振分束器、第三偏振器、第一反射镜、第二反射镜到达所述光束轮廓仪，通过双光路同时探测对微弱磁场进行实时测量。
2.如权利要求1所述的微弱磁场测量系统，其特征在于，所述波片组合器包括第一零级四分之一波片、第二零级四分之一波片、零级半波片，所述亥姆霍兹线圈、第一零级四分之一波片、零级半波片、第二零级四分之一波片、非偏振分束器沿光束传播方向依次布设。
3.如权利要求2所述的微弱磁场测量系统，其特征在于，所述第一零级四分之一波片的方向为光轴沿45°方向，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：李兆雪，郑萱，王俊鹏，丽扎·吉恩斯别克，王志辉，王博，
申请(专利权)人：新疆师范大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。