用于航空的零磁场磁力计

QuSpin 零场磁力计（QZFM）基于单束激光的零场共振。 我们的 QZFM 的基本配置如图 1 所

示。来自精确调谐的半导体激光器（1）的光穿过包含铷原子的玻璃蒸汽电池（2），并被

光电探测器（3）捕获。 当背景磁场等于零时，铷原子变得基本上透明。 垂直于光路方向的

磁场使原子吸收更多的光。 光电检测器检测到透明度的这种变化，并产生与透过蒸气室的光

成比例的电流。 以这种方式， 磁信号被转换成形成零磁场磁力计的电信号。

要介绍零场（ZF）共振的概念[Dupont Roc，1969]，请想象磁力计处于绝对零磁场环境中。

如果在垂直于光束的方向上施加磁场，并且施加的场的振幅从正值

扫到负值，则，原子的透明度会发生变化，从而当原子经历磁性时会观察到最大的透明度 非常

接近零的字段。 如果将光检测器的输出看成是所施加场的函数， 则将看到输出具有洛伦兹线

形。 洛伦兹输出被称为 ZF 共振（见图 2），是磁力计的响应。 在我们的 QZFM 中，其典型宽度

（半峰全宽– FWHM）约为 30 nT。

场值由与洛伦兹峰的峰值的偏差给出。 测量此偏差的一种简单方法是查看可通过锁定检测

获得的洛伦兹导数。 我们使用内部线圈施加大约 1 kHz 的小振荡磁场（称为调制场）。 利

用参考调制频率的相敏锁相放大器，我们对光电检测器的输出进行解调，以产生称为色散

曲线的反对称线形（见图 2）。 色散曲线在零场处具有最大斜率，并用作磁力计的输出。

图 2：零磁场（ZF）共振是光电探测器的输出，因为磁场在垂直于通过蒸气室的光束的方向上从正值扫

描到负值。 ZF 谐振的 FWHM 通常为 30 nT。 锁相放大器的解调输出（也称为误差信号）具有不对称

的洛伦兹形状。

磁力计的敏感轴由调制场的方向（投影在垂直于光束的平面上）定义。 为了使

磁力计同时对两个正交轴（垂直于光束）敏感，我们使用单独的正交线圈应用两个单独的调

制场。

ZF-OPM 非常敏感，并且由于它们需要零场环境才能运行，因此需要磁屏蔽环境来运行这些

传感器。磁屏蔽室（MSR）并不完美，通常在内部存在一些残余磁场

（数十 nT）。这些残留磁场通常要求用户为 MSR 配备大型线圈，这些线圈可以全局偏移背景

磁场并将其归零。这并不总是可行的。取而代之的是，我们在传感器头中集成了一组三轴正

交电磁线圈，该线圈可以将每个 OPM 蒸气室周围的磁场局部归零。磁场归零线圈可以补偿

多达 50 nT 的剩余磁场，并且该过程是全自动的，仅需几秒钟。当多个传感器紧密靠近工作

时，所有传感器同时进行磁场归

零过程，这会导致所有传感器的合并磁场崩溃，从而使每个传感器最大程度地经历零磁场。每

当 OPM 经历的背景场发生显着变化或传感器布置发生变化时，都应重复进行场归零过程。

ZF-OPM 的带宽约为 150 Hz，并受系统物理限制。 OPM 的频率响应表现为一阶低通滤波器，

其滚降为 150 Hz。 此外，我们还有一个 500 Hz 的六阶硬件数字滤波器，可消除高于该频率的

任何残留响应。 带宽的任何可能增加将以灵敏度为代价。 磁力计响应的未补偿线性度（输出

电压的振幅作为施加磁场强度的函数） 由零磁场附近的误差信号的非线性决定（例如 1 nT 磁

场振幅可导致 1％ 线性偏差）。