【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及磁场测量，尤其是涉及一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法及装置。
技术介绍
1、光泵原子磁强计具有传感器小型化、灵敏度高、成本低等特点，被广泛应用于生物磁测量、空间磁探测等领域。基于自由进动机制工作的自由进动原子磁强计是光泵原子磁强计的一种典型代表，凭借着准确度高、动态范围大、电路结构简单等特点，成为近年来光泵原子磁强计研究和发展的热点。单光束自由进动原子磁强计相较于双光束构型，更易实现磁强计的小型化与低成本，但是其灵敏度相较双光束构型更低。
2、限制自由进动原子磁强计灵敏度的一个重要因素是磁强计产生的自由进动信号强度，高强度的自由进动信号可以实现高信噪比，进而可以实现磁强计的高灵敏度。现有技术中，采用全光调制的单光束自由进动式光泵原子磁强计通过同步光抽运实现自旋极化制备，但仅有横向自旋极化分量参与自由进动，这限制了信号强度的提升，进而影响了磁强计的灵敏度。因此，增强单光束自由进动原子磁强计的信号强度是一个非常重要的研究问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法及装置，在同步光抽运完成后，通过施加横向射频磁场脉冲操控原子自旋极化旋转至垂直于磁场方向的平面，使得自旋极化横向分量与纵向分量均能参与自由进动，从而实现了单光束自由进动原子磁强计的全方位信号增强。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，包括以下步骤：
3、s
4、s2、利用光强调制器调节圆偏振光的光强实现同步光抽运，制备原子自旋极化；
5、s3、完成同步光抽运后施加横向射频磁场脉冲，操控原子自旋极化至垂直于磁场方向的平面；
6、s4、原子自旋极化经历自由进动，通过低光强激光实现自由进动信号检测，并通过数据采集与处理系统采集、处理信号实现对磁场的测量。
7、优选的，步骤s1中对激光的调节具体包括以下步骤：
8、s11、开启激光器并驱动光强调制器；
9、s12、调节激光器射出激光的频率至碱金属原子谱线d1线的中心；
10、s13、调整偏振器件使激光经过后产生圆偏振光，并穿过碱金属气室。
11、优选的，步骤s2中同步光抽运具体包括以下步骤：
12、s21、通过信号发生器给光强调制器输入周期毫秒量级、具有一定占空比的方波脉冲序列，其中序列中的方波脉冲的占空比为50％、脉冲重复频率为磁场对应的拉莫尔进动频率；
13、s22、微调序列中方波脉冲的重复频率至方波脉冲序列结束时磁强计输出信号达到最大，实现同步光抽运。
14、优选的，步骤s3中操控原子自旋极化至垂直于磁场方向的平面具体包括以下步骤：
15、s31、每个周期撤去给光强调制器的输入的瞬间，通过信号发生器给射频线圈输入以产生垂直于激光方向的横向射频磁场脉冲，输入的射频磁场的振荡频率与步骤s22的方波脉冲重复频率相同，持续时间远小于自由进动周期；
16、s32、控制其它参数不变，调整射频磁场脉冲的大小，使得磁强计输出的信号达到最大，此时自旋极化被操控至与磁场正交的平面。
17、优选的，步骤s4中自由进动信号的采集与处理具体包括以下步骤：
18、s41、光磁调制后，自旋极化经历自由进动，信号发生器给光强调制器输入幅值较低的直流信号保证激光的一定光强，检测自旋极化的自由进动信号；
19、s42、通过数据采集与处理系统采集磁强计经跨阻放大器和带通滤波器后输出的信号；
20、s43、处理采集到的自由进动信号，提取每个周期信号的振荡频率，除以旋磁比后获得待测磁场，所述振荡频率为拉莫尔进动频率。
21、优选的，步骤s4中，自旋极化做自由进动，激光传播方向自旋极化的演化可表示为：
22、
23、其中，公式前一项为光抽运引起的慢变直流项表达式，后一项为自旋极化的自由进动表达式，sz(t)为激光方向的自旋极化分量，t为时间，为自由进动阶段的抽运率，rr1为自由进动阶段的纵向弛豫率，rr2为自由进动阶段的横向弛豫率，θ为待测磁场与激光传播方向的夹角，γ为旋磁比，b0为待测磁场大小，为信号相位，p1为自旋极化纵向分量，p2为自旋极化横向分量，p1和p2表达式如下：
24、
25、其中，t1为同步抽运的持续时间，t3为自由进动阶段的持续时间，rp0为同步光抽运阶段峰值光功率pp对应的抽运率，r1为同步光抽运阶段的纵向弛豫率，r2为同步光抽运阶段的横向弛豫率。
26、优选的，步骤s4中，圆偏振光信号经光电探测器、跨阻放大器与带通滤波器后，慢变直流项被滤除，数据采集与处理系统采集到的信号表示为：
27、
28、其中，v0为带通滤波器输出的电压信号幅值。
29、本专利技术还提供了一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的装置，包括按顺序连接的激光器、光强调制器、保偏光纤、准直器、二分之一波片、起偏器、四分之一波片、碱金属气室和光电探测器，所述光电探测器的输出端通过跨阻放大器、带通滤波器连接至数据采集与处理系统的输入端，所述碱金属气室通过烤箱与无磁电加热线圈包裹并被加热以实现高原子密度，所述碱金属气室外侧设置有射频线圈与磁强计支撑外壳，所述光强调制器的输入端与信号发生器的输出端相连，所述射频线圈垂直于激光方向的一轴与所述信号发生器的另一输出端连接。
30、优选的，所述带通滤波器的频率范围以待测磁场对应的拉莫尔进动频率为中心。
31、因此，本专利技术采用上述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法及装置，具有以下有益效果：
32、(1)常规的单光束全光调制式自由进动原子磁强计通过同步光抽运实现自由进动信号，而本专利技术增加了横向射频磁场脉冲用以操控原子自旋极化旋转，使得更多的自旋极化分量参与自由进动，从而增强了自由进动信号。
33、(2)本专利技术实现了单光束自由进动原子磁强计的自由进动信号全方位增强与信噪比的提升，从而实现了磁强计灵敏度的提升，便于单光束自由进动原子磁强计在量子精密磁场测量领域的进一步研究与发展。
34、(3)本专利技术在不增加单光束自由进动原子磁强计系统复杂度的情况下，实现了磁强计的自由进动信号全方位增强。
35、下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
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1.一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤S1中对激光的调节具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤S2中同步光抽运具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤S3中操控原子自旋极化至垂直于磁场方向的平面具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤S4中自由进动信号的采集与处理具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤S4中，自旋极化做自由进动，激光传播方向自旋极化的演化可表示为：
7.根据权利要求6所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤S4中，圆偏振光信号经光电探测器
8.一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的装置，应用于如权利要求1-7任一项所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，包括按顺序连接的激光器、光强调制器、保偏光纤、准直器、二分之一波片、起偏器、四分之一波片、碱金属气室和光电探测器，所述光电探测器的输出端通过跨阻放大器、带通滤波器连接至数据采集与处理系统的输入端，所述碱金属气室通过烤箱与无磁电加热线圈包裹并被加热以实现高原子密度，所述碱金属气室外侧设置有射频线圈与磁强计支撑外壳，所述光强调制器的输入端与信号发生器的输出端相连，所述射频线圈垂直于激光方向的一轴与所述信号发生器的另一输出端连接。
9.根据权利要求8所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的装置，其特征在于：所述带通滤波器的频率范围以待测磁场对应的拉莫尔进动频率为中心。
...【技术特征摘要】
1.一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤s1中对激光的调节具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤s2中同步光抽运具体包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤s3中操控原子自旋极化至垂直于磁场方向的平面具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤s4中自由进动信号的采集与处理具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种增强单光束自由进动原子磁强计信号的光磁调制方法，其特征在于，步骤s4中，自旋极化做自由进动，激光传播方向自旋极化的演化可表示为：
7.根据权利要求6所述的一种增强单光束自由...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜丽伟，徐靖鸿，方驰，邹云天，李旭，房建成，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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