Design and verification of dual-cell cesium optically pumped magnetometer

HUANG Yiming; LI Shaoliang; LUO Manruo; WU Zhaocai; LIU Hua

doi:10.37188/OPE.20233109.1325

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Design and verification of dual-cell cesium optically pumped magnetometer

Micro\/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2026-09-12

- Design and verification of dual-cell cesium optically pumped magnetometer
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 9, Pages: 1325-1334(2023)
- 作者机构：
  
  1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240
  2.上海航天控制技术研究所，上海惯性工程技术研究中心，上海 201109
  3.自然资源部第二海洋研究所，浙江杭州 310012
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233109.1325
  CLC： TH744;TM937.1
- Received：22 September 2022，
  
  Revised：2022-10-14，
  
  Published：10 May 2023
- 稿件说明：
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黄艺明,李绍良,骆曼箬等.双气室铯光泵磁力仪设计与验证[J].光学精密工程,2023,31(09):1325-1334.

HUANG Yiming,LI Shaoliang,LUO Manruo,et al.Design and verification of dual-cell cesium optically pumped magnetometer[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(09):1325-1334.
黄艺明,李绍良,骆曼箬等.双气室铯光泵磁力仪设计与验证[J].光学精密工程,2023,31(09):1325-1334. DOI： 10.37188/OPE.20233109.1325.

HUANG Yiming,LI Shaoliang,LUO Manruo,et al.Design and verification of dual-cell cesium optically pumped magnetometer[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(09):1325-1334. DOI： 10.37188/OPE.20233109.1325.

摘要

由于自激振荡式单气室光泵磁力仪受移相电路限制测量范围较窄，对双气室光泵磁力仪进行集成化研究和改进，基于对光泵磁力仪基本原理的推导论证，提出了双气室铯光泵磁力仪的一种高度集成的设计结构。该方案中以垂直腔面发射激光器作为泵浦光源，以刀锋直角棱镜反射镜作为分光镜片，其余元件沿光轴对称排布，利用左旋、右旋圆偏振光的双泵浦光结构和双气室布置实现相移互补，不需要移相电路。利用搭建的原理样机测得实验环境下地磁场强度为37 586.79 nT，并利用扫描方式测得三轴分量。双气室铯光泵磁力仪原理样机的测量范围为25 700~77 000 nT，灵敏度约为

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16.17133331

4.48733330

。实验结果和对比测量结果、理论计算结果相吻合，验证了双气室光泵磁力仪的理论分析，证实了该双气室光泵磁力仪结构的可行性和精确度。

Abstract

Regarding the wide application of geomagnetic field measurement in magnetic prospecting， navigation， and positioning， the measurement range of the single-cell self-oscillating optically pumped magnetometer （OPM） is limited by the phase-shift circuit， and the existing dual-cell OPM abroad exhibits a low integration degree and poor portability. In this study， the integration of the dual-cell OPM is improved to break the blockade and improve the research level of the domestic OPM. Through the derivation and demonstration of the principle of the OPM， a highly integrated structure design of the dual-cell cesium OPM is presented. A VCSEL is used as the pump light source， and a knife-edge right-angle prism mirror is used as the spectroscope， while other components are arranged symmetrically along the optical axis. A dual-pump light structure with left- and right-handed circularly polarized light and a dual-cell arrangement is used， which achieves precise phase-shift compensation and avoids the need for a phase-shift circuit. The geomagnetic field in the experimental environment is 37 586.79 nT， as measured by a prototype， and the magnitude of the triaxial component is obtained via the scanning method. The measurement range of the OPM prototype is 25 700-77 000 nT， and the sensitivity is approximately 20 pT

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7.70466709

4.06400013

. The experimental results are consistent with the comparative measurement and theoretical calculation results， validating the theoretical analysis of the dual-cell OPM and confirming its feasibility， accuracy， and advantages for improving the system integration.

关键词

Keywords

references

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