磁场测量被广泛应用于导航、探测、诊断、预报等各个领域，在国民经济和国防建设中发挥着重要作用。近年来，随着量子科技的快速发展，各种新型光学原子磁力仪不断涌现，测量指标不断刷新，已成为磁场测量的重要手段。本书以铯原子磁力仪为代表，介绍光学原子磁力仪的发展、理论、特性、噪声、制作方法等内容。本书共12章，内容主要包括磁场测量的应用领域、原子磁力仪及其发展、铯原子磁力仪的理论基础、全光艳原子标量磁力仪、铯原子矢量磁力仪、磁力仪的量子极限噪声、艳原子磁力仪物理系统的参数分析、艳原子磁力仪闭环系统的研制与测试、磁屏蔽装置、无磁热气流加热温控装置、激光器与稳频技术、两种微小偏转角检测方法等。 本书可作为电子信息、精密测量、医疗仪器、勘探和导航等领域的本科生和研究生的参考书，也可供相关领域的研究人员参考使用。

第1章 磁场测量的应用领域
　　磁场作为磁性物体的一种重要特征，是*早被人类认识的物理现象之一。小到分子、原子，大到地球、星际空间，都蕴含着丰富多样的磁场信息。因此，对磁场的测量成为认识物理世界的一项重要技术手段。随着科技的进步，人类对磁场的理论及其所反映的物体信息的认识不断深入，高精度的磁场测量技术也随之而得到极大的发展。近几十年来，对磁场的高精度测量已被广泛应用于地质勘探、军事领域、心磁脑磁测量、地震预测和工业领域等多个领域。
　　1.1 地质勘探
　　磁探测方法*主要的应用就是在地质勘探、油气和矿产资源勘察等方面。磁探测方法是物探方法中*古老的一种，其原理是基于磁性岩体和矿体由于本身的磁性会产生相应的磁场，从而使局部地球磁场产生变化。通过探测和研究不同位置处的磁异常，进而发现矿产资源分布和研究地质结构。早在 17世纪人们利用磁罗盘直接找磁铁矿。在第二次世界大战后，航空磁测法得到广泛应用，可测量大面积的磁场分布。在地质填图时，磁探测方法可划分出各种岩石的分布范围，研究沉积岩下面的基底构造；还可直接用来寻找磁铁矿床，并将其作为一种辅助手段绘制地质图和测定基底构造。图 1.1 是在新疆西天山地区某处通过航空磁测得到的磁异常图[1]。2020年，陈江源等报道了利用磁探等手段，对西天山卡拉达湾地区铀及多金属矿产进行了调查[2]。在石油等矿藏探测时，往往将磁测数据和重力测量数据等相结合（图 1.2）[3，4]。
　　对于大范围地质结构和地球磁场研究而言，卫星磁测提供了一个很好的平台。自 1958年苏联发射了第一颗载有磁力仪的 Sputnik-3卫星以来，人类开始通过卫星磁测数据来研究全球地质结构[5-7]。2000年 7月，德国发射了一颗重磁两用卫星，工作在距离地球 454～300km的低轨道上，携带了两种磁力仪，分别测量地磁场的标量和矢量信息，比之前的 MAGSAT地磁卫星的磁场测量准确度高了一个量级[8-10]。图 1.3是德国发射的 CHAMP卫星[11，12]。2018年 2月 2日，我国将电磁监测试验卫星“张衡一号”发射升空，进入预定轨道。这标志中国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理场探测卫星的国家之一（图 1.4）[13，14]。
　　图 1.1 航磁异常剖面平面和等值线平面特征图[1]
　　图 1.2 利用电磁法探测油气资源[3]
　　图 1.3 德国 CHAMP卫星[11]
　　图 1.4 我国的电磁监测试验卫星“张衡一号” [13]
　　在矿产油气等资源探测方面，由于卫星磁测的空间分辨率尚不尽如人意，目前广泛使用的是航空磁测和地面高精度磁测[15，16]。自 1957年以来，我国已经在国内外开展了航磁普查和地面磁测，并在辽南金伯利岩、云南镇康铅锌矿、新疆哈密磁铁矿、新疆西天山铜矿、陕北油气，以及马达加斯加共和国的钒钛磁铁矿等矿产资源的勘探上取得了明显效果[17-21]。随着地表矿产资源的减少，利用局部磁异常寻找深部矿产资源愈来愈受到重视，同时对磁力仪的精度要求也越来越高。图 1.5是中国国土资源航空物探遥感中心的硬架式直升机测量系统[22]。
　　图 1.5 硬架式直升机测量系统[22]
　　磁场勘察还是探测古遗存空间分布的主要方法，由于古遗址、墓葬、古建筑及古人类化石本身与所处地层的磁场存在差异，其磁性差异构成了磁学考古的基础。例如，被火烧过的泥土、石头等具有较强的磁场，其比一般的土壤磁性高 1～ 2 个量级，为考古工作提供了“磁性化石”。有机质的腐烂会使土壤中的赤铁矿变为磁铁矿，因此使土壤获得较强的磁性。人为翻动过的土壤因土质结构、密度发生变化，以及掺入人工制品的残渣，都会使其与周围天然的沉积物之间显示出磁性的差别。对考古对象的磁异常特征进行分析，有助于全面认识考古对象[23-25]。
　　1.2 军事领域
　　在海战中，潜艇由于具有隐蔽性和突然性，成为重要的威胁力量。为了减少潜艇的威胁，各种反潜侦查系统相继出现，并形成了水面、水下、空中、路基多位一体的体系。目前，对水下潜艇探测的主要手段是依靠声呐设备，但随着潜艇自身降噪技术的发展，声呐探测已经不能完全满足探潜的需要。 2009年发生了英国“前卫”号核潜艇与法国的“凯旋”号核潜艇海底相撞事故，事件中的“前卫”号和“凯旋”号核潜艇不但都采取了更为先进的降噪技术，甚至还装备有模拟海洋噪声的装置，进一步掩盖自己的声音特征，这些都说明现代核潜艇的隐蔽性达到了相当高的地步。
　　为了提高反潜侦查系统的有效性，各国都在积极发展非声探测技术。其中，利用潜艇自身磁性特征的磁异常探潜技术具有明显的优势，这是由于潜艇在大海中航行时会产生大地磁场扰动，舰艇内的机械振动也会使出航前消过磁的舰体逐渐磁化，同时潜艇螺旋桨转动引起海水中产生局部电流，引起磁场的动态变化，并且尾流存留时间长，延伸距离可达数十公里，因此增大了探测距离。
　　目前发展*为成熟的是航空反潜技术，其主要特点是反潜机速度快、航程远、反应迅速；作战覆盖海域宽广、搜潜精度高、反潜效率高；隐蔽安全，不易被水下潜艇发现和攻击；攻潜效果好，一旦发现潜艇可以快速实施攻击。除了采用飞机反潜外，还有一种与飞机组成综合探测系统的浮标式磁探仪，其工作方式和声呐浮标类似。早在第二次世界大战中，美国就开始在远程轰炸机上试验磁异常探测器（ magnetic anomaly detector，MAD）系统的反潜效果，当时使用的是磁通门磁力仪。1944年，装备有该类型 MAD系统的盟军 VP-63型反潜机第一次成功探测并击沉德国的 U-761型潜艇。当时，这种磁探仪探测距离只有 120m左右，也就是说如果飞机在离海面 50m飞行，只能探测水下 70m的潜艇。目前，美国、俄罗斯、英国和法国的远程反潜巡逻机、反潜直升机上都装备有 MAD系统。美国的 P-3C Orion型反潜巡逻机上装备的 AN/ASQ-208型氦 4光泵磁探仪，灵敏度为 3pT，用于取代 P-3C系列反潜巡逻机的 P-8A“海神”多用途海上飞机装备了加拿大 CAE公司提供的灵敏度更高、更加先进的一体化磁异常探测系统。新的 AN/ASQ-504/508型氦 4光泵磁探仪被装备到 P-3、SH60、SH2等直升机或者预警机上（图 1.6）[26]。随着潜艇制作材料和工艺的不断进步，潜艇本身的磁特征在减弱。研究人员开展了潜艇尾流电磁效应、德拜效应的测量，这种方法不受潜艇自身磁性的影响，只是跟踪潜艇尾流引起的海水中的电磁场变化。
　　图 1.6 AN/ASQ-504被装备到 CP140海上预警机[26]
　　1.3 心磁脑磁测量
　　在生物医学领域，高灵敏度磁力仪是一种重要的医学辅助诊断仪器。弱磁检测技术在医疗领域的应用主要包括脑磁[27，28]和心磁测量[29，30]，图 1.7给出了脑磁测量原理示意图。
　　图 1.7 脑磁测量原理示意图
　　大脑是人类身体中*复杂也是*重要的器官。在大脑皮层，大约有 1010个神经细胞，这些细胞是产生各种大脑活动的基本单元。当大脑处于休息状态时，由于钠离子的渗透率小于钾离子，外部神经元膜保持着几十毫伏的电压。当神经细胞受到刺激时，离子的渗透率发生变化，钠离子穿透神经元膜，电压产生反向。这种突然的电压改变会产生电脉冲，沿着神经细胞轴突传播。在轴突的末端，电信号转化成化学信号释放神经递质穿过突触间隙传递给下一个神经细胞。沿着轴突传播的电脉冲会产生非常微弱的磁场（<100fT）[31，32]。由于人体颅内脑神经组织带电粒子的迁移会产生局部电流，造成局部磁场变化，目前广泛采用超导磁力仪记录这种随时间变化的磁场变化，称为脑磁图（magnetoencephalography，MEG）。还可通过刺激脑部神经组织引起磁场的变化，例如采用声信号（听觉诱发脑磁反应）、光信号（视觉诱发脑磁反应）或电信号（体表感觉诱发脑磁反应）刺激。在 20世纪 80年代，国外已经采用超导量子干涉仪测量听觉诱发中潜伏期脑磁反应和听觉诱发脑干磁反应。20世纪 90年代初又出现了听觉诱发脑磁图，如图 1.8所示[33]，主要用于癫痫病灶的定位诊断，以及脑梗死、脑出血、精神障碍疾病的诊断。脑磁图目前已广泛应用在癫痫和病灶定位、大脑功能区定位、缺血性脑血管疾病、精神病和心理障碍等疾病的诊断中[34-39]。
　　图 1.8 听觉诱发脑磁图[33]
　　除脑磁图外，心磁图（magnetocardiography，MCG）也是非常重要的医学诊断手段。人体心脏的跳动伴随着激活电流的产生，这个电流在周围产生磁场，心磁学即是对这个磁场进行测量、分析给出医学解释。由于传统的心电图只能测量体表不等势两点的电位差，这种电位差是心脏电流在体表的反应，而体表的电位差往往不能推算出体内心电电流的准确分布，同时其需要接触式测量。而采用高温超导磁力仪进行心磁测量可以实现非接触测量，并且测量准确，可以对心脏损伤部位进行定位。目前，心磁图已经用于心脏疾病的诊断。在心肌缺血、冠心病、心律失常和胎儿心脏疾病检测等领域，人们已经利用心磁图开展了大量临床研究工作[40-43]。
　　随着磁力仪灵敏度的提高和技术的进步，近年来，人们已经开始研究利用高灵敏度磁力仪来定位分子、癌细胞和测量植物磁场等[44，45]。
　　1.4 地震预测
　　地震灾害的突发性与频发性给人们的生命财产带来了极大的危害。全球每年发生的地震有五百五十万次之多，常常引起水灾和火灾以及细菌、有毒气体的泄露和扩散等，还能引起海啸、崩塌、滑坡等很多次生灾害。 2008年的 5 12汶川地震给人们的财产带来巨大的损失，人们对地震的预报工作提出了很大质疑。地震时产生的地球磁场变化是地震预报的一个重要手段，对地震磁现象的研究迄今也有近百年的历史，但到目前为止仍是一个世界难题。一般认为，地震引起磁场变化的原因主要有两点，一是地震前岩石在地应力作用下出现的“压磁效应”，从

目录
前言
第1章磁场测量的应用领域1
1.1地质勘探1
1.2军事领域3
1.3心磁脑磁测量5
1.4地震预测6
1.5工业领域7
1.6其他应用8
参考文献9
第2章原子磁力仪及其发展12
2.1核子旋进磁力仪12
2.2光泵磁力仪13
2.3超导量子干涉磁力仪16
2.4新型原子磁力仪17
2.4.1原子磁力仪的发展现状18
2.4.2原子磁力仪的发展趋势24
参考文献29
第3章铯原子磁力仪的理论基础37
3.1铯金属原子37
3.2外磁场中的铯原子39
3.2.1塞曼效应39
3.2.2拉莫尔进动41
3.3激光泵浦与原子极化过程42
3.3.1激光泵浦的理论模型42
3.3.2铯原子D1线泵浦时的粒子数分布43
3.4原子自旋极化的光学检测46
3.4.1圆双折射检测46
3.4.2圆二向色性检测46
3.5极化铯原子的弛豫48
3.5.1自旋交换碰撞弛豫49
3.5.2自旋破坏碰撞弛豫50
3.5.3极化原子与器壁的碰撞弛豫51
3.6光谱线型及线宽52
3.6.1自然线宽53
3.6.2缓冲气体的压力增宽53
3.6.3多普勒增宽55
3.6.4渡越增宽55
3.6.5饱和增宽56
参考文献56
第4章全光铯原子标量磁力仪58
4.1Bell-Bloom磁力仪基本原理58
4.1.1玻尔兹曼分布58
4.1.2原子极化的物理过程59
4.1.3理论响应曲线62
4.2弱磁场下磁力仪共振光谱的研究63
4.2.1物理系统的实现63
4.2.2灵敏度分析66
4.3强磁场下磁力仪共振光谱的研究68
4.3.1非线性塞曼效应68
4.3.2强磁场下的共振光谱理论70
4.3.3强磁场下共振光谱的试验结果72
参考文献73
第5章铯原子矢量磁力仪75
5.1矢量原子磁力仪的工作原理75
5.2矢量原子磁力仪的设计与性能分析76
5.2.1矢量磁场的建立76
5.2.2矢量原子磁力仪的灵敏度分析80
参考文献83
第6章磁力仪的量子极限噪声84
6.1三种原子磁力仪84
6.2转换系数85
6.2.1B1型原子磁力仪85
6.2.2B0型原子磁力仪86
6.2.3Bx、By和Bz型原子磁力仪87
6.3自旋投影噪声96
6.4光子散粒噪声99
6.5光频移噪声100
6.6横向弛豫时间的计算101
6.6.1抽运光引起的弛豫率101
6.6.2自旋破坏碰撞弛豫率102
6.6.3自旋交换弛豫率102
6.6.4侧壁碰撞破坏弛豫率103
参考文献103
第7章铯原子磁力仪物理系统的参数分析106
7.1磁力仪的频率响应和灵敏度分析106
7.1.1磁力仪的频率响应106
7.1.2磁力仪的灵敏度分析108
7.2磁力仪物理系统响应带宽的测试与分析111
7.2.1泵浦光调制器-探测器系统的响应时间测量111
7.2.2磁力仪物理系统的响应时间测量112
7.3影响磁力仪性能的参数分析114
7.3.1激光频率的影响115
7.3.2激光光强的影响118
7.3.3泵浦光光斑大小的影响121
7.3.4泵浦光调制波形和调制幅度的影响122
参考文献124
第8章铯原子磁力仪闭环系统的研制与测试125
8.1铯原子磁力仪共振频率跟踪锁定的方法125
8.1.1正弦调制锁频125
8.1.2半高宽锁频126
8.1.3色散零点锁频127
8.2铯原子磁力仪数字频率跟踪系统的研制127
8.2.1数字频率跟踪系统的方案设计127
8.2.2系统的工作流程128
8.3铯原子磁力仪闭环性能测试130
8.3.1磁场跟踪测试130
8.3.2闭环灵敏度测试130
8.3.3响应速度测试132
参考文献133
第9章磁屏蔽装置134
9.1磁屏蔽装置简介134
9.1.1磁屏蔽的基本原理134
9.1.2磁导率的影响因素135
9.2磁屏蔽装置的屏蔽系数136
9.2.1单层球形屏蔽装置的屏蔽系数136
9.2.2单层圆柱形屏蔽装置的屏蔽系数137
9.2.3多层磁屏蔽装置的屏蔽系数分析138
9.3磁屏蔽装置的参数优化142
9.3.1球形屏蔽装置的尺寸优化142
9.3.2圆柱形屏蔽装置的尺寸优化142
9.4圆柱形屏蔽筒的轴向磁场分布144
参考文献147
第10章无磁热气流加热温控装置148
10.1几种加热方式的对比分析148
10.2热气流加热系统的设计与测试149
10.3光纤光栅测温系统151
参考文献153
第11章激光器与稳频技术154
11.1激光器的选择154
11.2饱和吸收谱稳频技术155
11.2.1饱和吸收谱稳频的原理155
11.2.2饱和吸收谱稳频的方法156
11.3消多普勒极化谱技术158
11.3.1消多普勒极化谱原理158
11.3.2消多普勒极化谱试验装置160
11.4线性磁光效应稳频技术161
11.4.1线性磁光效应稳频基本原理162
11.4.2不同角度下DAVLL的理论曲线163
11.4.3试验方法165
参考文献167
第12章两种微小偏转角检测方法168
12.1分光束检测法168
12.1.1分光束检测法的基本原理168
12.1.2光电转换电路的设计169
12.1.3分光束检测法的系统性能测试170
12.2法拉第调制技术171
12.2.1法拉第调制技术的基本原理171
12.2.2法拉第调制技术性能测试173
参考文献175