激光光泵磁测的基础物理原理是原子的塞曼分裂和磁共振效应。原子在极化和退极化过程中会吸收激光光能,产生磁共振信号。通过对磁共振信号中共振点的检测,可以获得磁场值。激光光泵的工作物质主要包括碱金属(铷,铯,钾等)和氦两类。与碱金属相比,氦原子在磁测过程中不需要加热和保温,功耗相对更低。随着实际应用场景的不断丰富,各种环境因素,比如磁日变以及磁暴活动等,会让被测磁场信息湮没在磁场噪声中,难以被获取。在一些背景磁场很强的区域进行磁探测工作时,对异常的解释推断工作往往还会遭受背景场强与被测磁异常比值太大的困扰,仅仅依靠单一的磁场标量值无法准确获取所需信息。因此,磁梯度的测量工作尤为重要。为了高质量完成磁梯度测量工作,本论文针对激光氦光泵磁梯度测量传感技术进行了研究,主要工作内容如下:(1)激光氦光泵磁测原理研究及磁梯度系统方案设计。对激光氦光泵磁测原理进行了分析,推导了激光氦光泵磁测原理公式,确定了共振频率的检测是磁场准确测量的关键。研究了获取磁共振信号的射频扫描法,并根据光磁学布洛赫方程以及描述原子对光吸收的Beer-Lambert定律,建立了磁共振信号的模型,共振曲线形态符合洛伦兹线型特性。给出了磁测灵敏度计算公式δB=△f/(△S/N),结合磁共振信号模型证明了磁测灵敏度与光源、吸收室以及电路性能直接相关。设计了激光氦光泵磁梯度系统方案,并确定了课题的研究重点包括:激光源研制及激光稳频技术、磁传感器光路设计与光电转换技术、磁传感器吸收室激励技术以及与基于射频调制法的共振信号检测技术。(2)氦光泵磁传感器激光源及光电技术研究。研究了激光二极管的波长调制原理,设计了基于ECDL激光二极管的激光光源,并研究了基于氦原子饱和吸收谱的激光波长稳定方法。利用DFB激光二极管和光学分束元件设计了用于梯度测量的双路输出的集成化激光源,并简化了饱和吸收谱法光路。测试数据证明,激光源输出的双路光束功率波动引起的磁传感器灵敏度百分比误差均小于0.4%。设计了磁传感器的光路和结构,并在3D打印技术的辅助下完成了双路传感器的制作。研究了光电转换技术,设计了噪声功率谱密度实测值与理论设计相符的磁传感器光电检测电路。(3)氦光泵磁传感器吸收室激励技术研究。确定了在吸收室的激励过程中,氦气发生了外置电极式高频介质阻挡放电。类比气体放电灯,建立了吸收室的电气特性模型,证明了在激励电路稳定工作时吸收室为阻性元件。按照功能,将激励能量源研究分为高压脉冲源研究和高频能量源研究。根据帕刑定律和吸收室参数估算了吸收室内氦气的击穿电压约为1.5k V,设计了由多谐振荡器、功率放大器和空心升压线圈组成的高压脉冲源电路。以恒温晶振和高频功率放大器为基础,通过对阻抗匹配技术的研究设计了频率为50MHz高频能量源。实际研制的吸收室激励电路整体功耗约为6W。(4)激光氦光泵磁信号检测技术研究。以洛伦兹线型模拟共振信号形态,研究了基于共振信号曲线及其高次谐波幅值特性的射频调制法磁信号检测原理,确定了所需调制信号的类型为交变频率振荡增加的射频调制磁场。研究了矩形亥姆霍兹线圈的工作原理,设计并制作了适用于磁传感器结构的射频调制线圈。验证了磁测灵敏度关于射频交变磁场强度存在最优值的推论,当射频调制磁场强度的峰峰值为900n T左右时,本文设计的磁传感器磁测灵敏度存在最优值。设计了基于射频调制法的信号检测电路,通过使用基于增量式PID方法的数字式闭环频率控制器锁定了磁共振点。(5)激光氦光泵磁传感器与磁梯度测量系统性能测试。通过数据对比,证明了使用激光源可以大幅度降低光泵传感器功耗。利用亥姆霍兹---麦克斯韦复合线圈在屏蔽筒内创造磁场环境。通过信号对比,证明了激光源可以大幅度提高传感器灵敏度。对磁传感器输出信号进行洛伦兹线型拟合后,计算出两个磁传感器的灵敏度分别为2.65p T/Hz1/2@1Hz和3.59p T/Hz1/2@1Hz。通过与磁场理论计算值以及Cs-3铯光泵磁力仪数据的对比证明了激光氦光泵磁梯度测量系统具有较好的实用性,同时确定了系统的优化方向。综上所述,本文通过对光学、气体放电和电路等关键技术的研究,搭建了基于双光路输出集成化激光源的氦光泵磁梯度测量系统,具有良好的实用性能。本文能够为激光光泵磁梯度测量传感技术的进一步研究提供重要指导。