基于量子放大的磁测量方法

1.本发明属于磁场测量技术领域，具体涉及一种基于量子放大的磁测量方法。


背景技术：

2.极弱磁场测量广泛应用于基础物理检验、前沿物理研究、脑磁/心磁等重大疾病诊断、化学物质结构分析、国防安全等重大领域。随着科学技术的不断发展，新型原子磁力仪以其高灵敏度成为极弱磁场测量的最佳手段。
3.原子磁力仪的基本原理是利用碱金属原子最外层电子自旋极化矢量在外磁场中的旋进来测量磁场，其采用一束弱的检测光直接检测电子自旋极化大小来判断旋进频率，从而测出外磁场。虽说原子磁力仪是目前最主要和最灵敏的磁场测量手段，但对于低频或者极低频的极弱磁场来说，原子磁力仪的灵敏度仍然不够。并且当前原子磁力仪(例如serf原子磁力仪)通常要求工作的磁场小于100nt，亟需发展能够工作于更高磁场范围的磁力仪。
4.目前也有研究人员采用信号放大的方法来提高测量灵敏度，经典的信号放大方法通常先将待测信号转化为电信号，再使用电子学的手段，将电信号放大。这种放大方法会同时放大待测信号与探测设备的噪声，无益于提高信噪比，导致并不能实际提高测量灵敏度。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于量子放大的磁测量方法，提高极弱磁场测量的灵敏度，可以达到10
2-104数量级，并实现飞特斯拉或者亚飞特斯拉磁探测水平。
6.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于量子放大的磁测量方法，包括以下步骤：
7.s1：搭建测量模型，包括混合原子蒸气室、无磁加热系统、激光泵浦和探测系统、信号采集系统和磁屏蔽系统；
8.s2：搭建x、y、z三组方向互相垂直的亥姆霍兹线圈，所述亥姆霍兹线圈位于混合原子蒸气室和无磁加热系统外部、磁屏蔽系统内部；
9.s3：开启无磁加热系统，对混合原子蒸气室进行加热，增加混合原子蒸气室内碱金属原子数密度；
10.s4：开启激光泵浦和探测系统，泵浦激光极化混合原子蒸气室内的碱金属原子，极化后的碱金属原子的电子通过自旋交换碰撞极化惰性气体原子核；光电探测器测量探测激光通过混合原子蒸气室的法拉第旋转角，得到碱金属原子电子的自旋信号；
11.s5：开启信号采集系统，准备测量和接收信号；
12.s6：在z方向施加一个偏置磁场，在x方向或y方向施加一个1pt、220hz的震荡交流磁场，采集t时间的信号，通过傅立叶变换，得到频谱上220hz的磁信号幅度值a1，得到实际电压信号和磁信号的转换系数b1＝a1/1pt；
13.s7：保持z方向偏置磁场不变，沿x方向或y方向施加一个1pt、频率和惰性气体原子核拉莫尔进动频率一样的震荡交流磁场，采集t时间的信号，通过傅立叶变换，得到频谱上该震荡交流磁场的磁信号幅度值a2，得到惰性气体原子核对磁信号的放大倍数amp＝a2/a1；
14.s8：保持z方向偏置磁场不变，不施加震荡交流磁场，采集一组本底噪声信息，采集时间为t，对频谱进行傅立叶变换，得到噪底信号a3，计算磁探测灵敏度为a3/amp/b1*√t；
15.s9：将待测磁场信号转换为电流信号并引入x或y方向线圈，在混合原子蒸气室上产生待测磁场，通过扫频来确定待测磁场信号的频率，调节z方向偏置磁大小改变惰性气体原子核的拉莫尔进动频率，每调节一个频率就测量时间t，通过傅立叶变换得到频谱，记录频谱峰值的最大值a4；得到待测磁场大小为a4/b1/amp、频率为在该峰值时惰性气体的拉莫尔进动频率。
16.进一步的，所述混合原子蒸气室为填充碱金属、惰性气体和氮气的原子气体室。
17.进一步的，所述激光泵浦和探测系统包括两个垂直布置的激光器，两个激光器分别用于极化钾碱金属原子和探测碱金属原子。
18.进一步的，所述无磁加热系统采用无磁材料，用于加热混合原子蒸气室。
19.进一步的，所述磁屏蔽系统由五层圆柱形的坡莫合金和铁氧体构成，五层圆柱形坡莫合金的最内层和最外层设置有去磁线圈。
20.进一步的，所述信号采集系统包括声光调制器、锁相放大器、光电探测器、光学元件和采集卡，用于采集探测光探测的磁信号并对采集到的磁信号做傅立叶变换。
21.进一步的，所述步骤s6中在z方向施加的偏置磁场为使惰性气体原子核在外磁场的进动频率与待测磁场频率一致的静磁场。
22.采用上述技术方案的有益效果是：本发明通过在测量系统内利用惰性气体原子核自旋来放大待测磁场信号，可以达到10
2-104数量级，信号放大过程中只会引入少量的不可避免的量子噪声，包括量子涨落和反作用，而不会放大探测设备引入的噪声，因此可以大大提高测量的信噪比，从而提高测量灵敏度，实现飞特斯拉或者亚飞特斯拉磁探测水平。
附图说明
23.图1是本发明的各系统示意图；
24.图中标号：10、混合原子蒸气室，20、无磁加热系统，30、激光泵浦和探测系统，40、信号采集系统，50磁屏蔽系统；
具体实施方式
25.以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。
26.实施例1：
27.一种基于量子放大的磁测量方法，包括以下步骤：
28.s1：搭建测量模型，包括混合原子蒸气室10、无磁加热系统20、激光泵浦和探测系统30、信号采集系统40和磁屏蔽系统50；
29.本步骤中，所述混合原子蒸气室10为填充碱金属、惰性气体和氮气的原子气体室。优选的，碱金属为钾，惰性气体为氦气，氮气也可替换为4he。所述无磁加热系统20采用无磁
材料，以避免磁干扰，无磁加热系统20设置在混合原子蒸气室10的下方，主要用于加热混合原子蒸气室10内的钾和氦气。所述激光泵浦和探测系统30包括两个垂直布置的激光器，分别用于发射泵浦激光和探测激光，泵浦激光用于极化钾碱金属原子，探测激光用于探测碱金属原子。所述信号采集系统40包括声光调制器、锁相放大器、光电探测器、光学元件和采集卡，用于采集探测光探测的磁信号并对采集到的磁信号做傅立叶变换。所述磁屏蔽系统50由五层圆柱形的坡莫合金和铁氧体构成，五层圆柱形坡莫合金的最内层和最外层设置有去磁线圈，主要用于屏蔽外界磁场对整个测量系统的干扰。
30.s2：搭建x、y、z三组方向互相垂直的亥姆霍兹线圈，所述亥姆霍兹线圈位于混合原子蒸气室10和无磁加热系统20外部、磁屏蔽系统50内部；
31.s3：开启无磁加热系统20，对混合原子蒸气室10进行加热，增加混合原子蒸气室10内碱金属原子数密度；
32.s4：开启激光泵浦和探测系统30，泵浦激光极化混合原子蒸气室10内的碱金属原子，极化后的碱金属原子的电子通过自旋交换碰撞极化惰性气体原子核；光电探测器测量探测激光通过混合原子蒸气室的法拉第旋转角，得到碱金属原子电子的自旋信号；
33.本步骤中，泵浦激光为一束圆偏光，探测激光为一束线偏光，具体原理为外界磁场信号引起极化后的钾原子电子自旋偏离偏置磁场方向，产生x方向的自旋角动量分量，使得通过的线偏光产生法拉第旋转角，从而通过法拉第旋转角得到钾原子电子的自旋信号。
34.s5：开启信号采集系统40，准备测量和接收信号；
35.s6：在z方向施加一个偏置磁场，在x方向施加一个1pt、220hz的震荡交流磁场，采集t时间的信号，通过傅立叶变换，得到频谱上220hz的磁信号幅度值a1，得到实际电压信号和磁信号的转换系数b1＝a1/1pt；
36.本步骤中，在z方向施加的偏置磁场为使惰性气体原子核在外磁场的进动频率与待测磁场频率一致的静磁场。在x方向施加的1pt、220hz的震荡交流磁场，用于优化激光泵浦和探测系统30内激光的频率、光强、位置、温度等参数信息以及光路中的光学元件，使信号采集系统40采集到的磁信号能够达到最大。
37.s7：保持z方向偏置磁场不变，沿x方向施加一个1pt、频率和he原子核拉莫尔进动频率一样的震荡交流磁场，采集t时间的信号，通过傅立叶变换，得到频谱上该震荡交流磁场磁信号幅度值a2，得到he原子核对磁信号的放大倍数amp＝a2/a1；
38.本步骤中，沿x方向施加一个1pt、频率和he原子核拉莫尔进动频率一样的震荡交流磁场，以使信号采集系统40采集到该施加磁场的磁信号大小，经傅立叶变换和计算，得到he原子核对磁信号的放大倍数，可以达到10
2-104数量级。
39.s8：保持z方向偏置磁场不变，不施加震荡交流磁场，采集一组本底噪声信息，采集时间为t，对频谱进行傅立叶变换，得到噪底信号a3，计算磁探测灵敏度为a3/amp/b1*√t；
40.s9：将待测磁场信号转换为电流信号后引入x方向线圈，进行扫频，调节z方向偏置磁大小，每调节一个频率就测量时间t，通过傅立叶变换得到频谱，记录频谱峰值的最大值a4，得到待测磁场大小为a4/b1/amp、频率为在该峰值时he原子核的拉莫尔进动频率。
41.本步骤中，将待测磁场信号转换为电流信号，再将电流信号后引入x方向线圈使其产生与待测磁场一样的施加磁场，这样就可以测得待测磁场的大小和频率。具体的，通过不断调节z方向偏置磁大小，从而调节he原子核的拉莫尔进动频率，测量相同时间t，通过傅立
叶变换即可得到频谱。当待测磁场频率和he原子核的拉莫尔进动频率接近时，频谱会出现一个峰，当峰值达到最大值时，待测磁场频率即和he原子核的拉莫尔进动频率一致，再根据峰值可计算得出待测磁场大小。
42.本实施例的工作原理是在z方向偏置磁场的持续作用下，在x方向分别施加1pt、220hz的震荡交流磁场；1pt、频率和he原子核拉莫尔进动频率一样的震荡交流磁场以及不施加震荡交流磁场，并保持相同的时间t，利用he原子核自旋来放大待测磁场信号，分别得到实际电压信号和磁信号的转换系数b1、he原子核对磁信号的放大倍数amp和噪底信号a3，从而计算得出本发明方法的磁探测灵敏度；再将待测磁场信号转换成电流信号施加到测量模型中，通过不断调节z方向偏置磁大小，计算得出待测磁场大小和频率。本发明方法是在磁屏蔽环境下在内部通过he原子核自旋来实现对外界待测磁场的量子放大，不会引入外界探测设备噪声，可以大大提高测量的信噪比，使测得的待测磁场信号更为精确，灵敏度更高，可以达到10
2-104数量级，实现飞特斯拉或者亚飞特斯拉磁探测水平。
43.实施例2：
44.一种基于量子放大的磁测量方法，包括以下步骤：
45.s1：搭建测量模型，包括混合原子蒸气室10、无磁加热系统20、激光泵浦和探测系统30、信号采集系统40和磁屏蔽系统50；
46.本步骤中，所述混合原子蒸气室10为填充碱金属、惰性气体和氮气的原子气体室。优选的，碱金属为钾，惰性气体为氦气，氮气也可替换为4he。所述无磁加热系统20采用无磁材料，以避免磁干扰，无磁加热系统20设置在混合原子蒸气室10的下方，主要用于加热混合原子蒸气室10内的钾和氦气。所述激光泵浦和探测系统30包括两个垂直布置的激光器，分别用于发射泵浦激光和探测激光，泵浦激光用于极化钾碱金属原子，探测激光用于探测碱金属原子。所述信号采集系统40包括声光调制器、锁相放大器、光电探测器、光学元件和采集卡，用于采集探测光探测的磁信号并对采集到的磁信号做傅立叶变换。所述磁屏蔽系统50由五层圆柱形的坡莫合金和铁氧体构成，五层圆柱形坡莫合金的最内层和最外层设置有去磁线圈，主要用于屏蔽外界磁场对整个测量系统的干扰。
47.s2：搭建x、y、z三组方向互相垂直的亥姆霍兹线圈，所述亥姆霍兹线圈位于混合原子蒸气室10和无磁加热系统20外部、磁屏蔽系统50内部；
48.s3：开启无磁加热系统20，对混合原子蒸气室10进行加热，增加混合原子蒸气室10内碱金属原子数密度；
49.s4：开启激光泵浦和探测系统30，泵浦激光极化混合原子蒸气室10内的钾原子，极化后的钾原子电子通过自旋交换碰撞极化氦原子核；光电探测器测量探测激光通过混合原子蒸气室的法拉第旋转角，得到碱金属原子电子的自旋信号；
50.本步骤中，泵浦激光为一束圆偏光，探测激光为一束线偏光，具体原理为外界磁场信号引起极化后的钾原子电子自旋偏离偏置磁场方向，产生x方向的自旋角动量分量，使得通过的线偏光产生法拉第旋转角，从而通过法拉第旋转角得到钾原子电子的自旋信号。
51.s5：开启信号采集系统40，准备测量和接收信号；
52.s6：在z方向施加一个偏置磁场，在y方向施加一个1pt、220hz的震荡交流磁场，采集t时间的信号，通过傅立叶变换，得到频谱上220hz的磁信号幅度值a1，得到实际电压信号和磁信号的转换系数b1＝a1/1pt；
53.本步骤中，在z方向施加的偏置磁场为使惰性气体原子核在外磁场的进动频率与待测磁场频率一致的静磁场。在y方向施加的1pt、220hz的震荡交流磁场，用于优化激光泵浦和探测系统30内激光的频率、光强、位置、温度等参数信息以及光路中的光学元件，使信号采集系统40采集到的磁信号能够达到最大。
54.s7：保持z方向偏置磁场不变，沿y方向施加一个1pt、频率和he原子核拉莫尔进动频率一样的震荡交流磁场，采集t时间的信号，通过傅立叶变换，得到频谱上该震荡交流磁场磁信号幅度值a2，得到he原子核对磁信号的放大倍数amp＝a2/a1；
55.本步骤中，沿y方向施加一个1pt、频率和he原子核拉莫尔进动频率一样的震荡交流磁场，以使信号采集系统40采集到该施加磁场的磁信号大小，经傅立叶变换和计算，得到he原子核对磁信号的放大倍数，可以达到10
2-104数量级。
56.s8：保持z方向偏置磁场不变，不施加震荡交流磁场，采集一组本底噪声信息，采集时间为t，对频谱进行傅立叶变换，得到噪底信号a3，计算磁探测灵敏度为a3/amp/b1*√t；
57.s9：将待测磁场信号转换为电流信号后引入y方向线圈，进行扫频，调节z方向偏置磁大小，每调节一个频率就测量时间t，通过傅立叶变换得到频谱，记录频谱峰值的最大值a4，得到待测磁场大小为a4/b1/amp、频率为在该峰值时he原子核的拉莫尔进动频率。
58.本步骤中，将待测磁场信号转换为电流信号，再将电流信号后引入y方向线圈使其产生与待测磁场一样的施加磁场，这样就可以测得待测磁场的大小和频率。具体的，通过不断调节z方向偏置磁大小，从而调节he原子核的拉莫尔进动频率，测量相同时间t，通过傅立叶变换即可得到频谱。当待测磁场频率和he原子核的拉莫尔进动频率接近时，频谱会出现一个峰，当峰值达到最大值时，待测磁场频率即和he原子核的拉莫尔进动频率一致，再根据峰值可计算得出待测磁场大小。
59.本实施例的工作原理是在z方向偏置磁场的持续作用下，在y方向分别施加1pt、220hz的震荡交流磁场；1pt、频率和he原子核拉莫尔进动频率一样的震荡交流磁场以及不施加震荡交流磁场，并保持相同的时间t，利用he原子核自旋来放大待测磁场信号，分别得到实际电压信号和磁信号的转换系数b1、he原子核对磁信号的放大倍数amp和噪底信号a3，从而计算得出本发明方法的磁探测灵敏度；再将待测磁场信号转换成电流信号施加到测量模型中，通过不断调节z方向偏置磁大小，计算得出待测磁场大小和频率。本发明方法是在磁屏蔽环境下在内部通过he原子核自旋来实现对外界待测磁场的量子放大，不会引入外界探测设备噪声，可以大大提高测量的信噪比，使测得的待测磁场信号更为精确，灵敏度更高，可以达到10
2-104数量级，实现飞特斯拉或者亚飞特斯拉磁探测水平。