题目：基于原子磁强计的主动磁补偿方法研究

近些年来，极微弱磁场探测技术在物质成分分析、矿产勘探、生物医疗、空间探测以及深海反潜等领域具有越来越重要的应用,对现有磁强计的磁场测量灵敏度提出了挑战。原子磁强计作为目前灵敏度最高的磁场测量装置受到国内外各研究机构的广泛关注。原子磁强计的主动磁补偿方法作为提高其内部原子自旋SERF(Spin-Exchange- Relaxation-Free)状态性能的核心技术，成为提高原子磁强计灵敏度的重中之重。因此，可以高效，精确补偿外界磁场扰动的主动磁补偿方法成为提高原子磁强计灵敏度的关键，相关工作极具理论研究意义和实际应用价值。

本文针对提高原子磁强计灵敏度需要补偿磁场这一关键性问题，基于宏观与微观相结合的思路，研究相关的主动磁补偿方法，并对其进行实验验证，具体研究内容如下：

首先，在建立原子磁强计磁场测量模型的基础上，针对大干扰磁场环境下原子自旋无法进入SERF状态这一问题，研究非SERF状态下原子磁强计的主动磁补偿方法。通过解耦包含磁场信息的抽运光光强信号，获得各个方向的磁场，以此作为反馈信号，使用三维主动磁补偿线圈产生一个与扰动磁场大小相同方向相反的磁场对其进行补偿。在现有的原子磁强计原理验证平台上进行实验验证，实验结果表明在这种补偿方法作用下，可以将大干扰磁场补偿为亚nT量级的小干扰磁场，使原子自旋进入SERF状态。

其次，为了补偿亚nT量级的小干扰磁场，研究SERF状态下原子磁强计的主动磁补偿方法,以提高原子自旋SERF状态性能。基于调制解调检测激光偏振角度的方法实现三个方向的磁场测量，以此作为反馈信息来进行主动磁补偿。实验结果表明，在这种补偿方法的作用下，可将亚nT量级的小干扰磁场补偿为pT量级的微弱干扰磁场，为提高原子自旋SERF状态性能奠定了基础。

再次，为了对pT量级的微弱扰动磁场进行补偿，研究利用原子核自旋所产生的磁矩对微弱扰动磁场进行微观自补偿的方法，以进一步提高原子自旋SERF状态的性能。基于测量外界磁场所引起的原子自旋进动角的方法对磁场进行测量，以此作为反馈信息，对微弱扰动磁场进行自补偿。在现有的原子磁强计原理验证平台上进行了实验验证，实验结果表明这种方法可以跟踪核自旋自补偿点，补偿了所剩的微弱扰动磁场。

在上述主动磁补偿方法研究基础上，搭建了基于原子磁强计的主动磁补偿测试系统，包括主动磁补偿控制器、电流源以及三维主动磁补偿线圈，并基于LabVIEW平台开发了主动磁补偿软件，包括数据采集模块、信号后处理模块以及电流源通讯模块。最后进行了实验研究。实验结果表明，所搭建的主动磁补偿测试系统可以有效地补偿外界扰动磁场，提高原子自旋SERF状态。