CN103605086B - 一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，属于磁场测量技术领域。本发明测磁系统通过光纤电光调制器产生系统所需的带频率调制的双色相干光束，光束经扩束通过待测原子蒸汽室与参考光束由差分探测获得电磁感应透明（EIT）信号；再通过锁相放大技术，误差信号经由伺服控制系统反馈给光纤电光调制器，以保证光纤电光调制器的输出频率与磁场大小保持一致。系统中，伺服控制系统的输出电压与塞曼分裂频率一一对应，可直接用于表征外部磁场大小。同时，本测磁系统方便扩展，在不同的应用条要求下可按需求扩展成为磁场梯度仪以及阵列测量系统。

Description

一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统

技术领域

本发明涉及一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，属于磁场测量技术领域。

背景技术

利用相干的双色光与原子相干耦合实现对原子的相干布局囚禁（以下简称CPT，CoherentPopulationTrapping），获得的CPT共振信号具有线宽窄和不受激光器本身线宽影响的特性，可应用于磁强计和原子钟等领域。CPT原子磁力仪由于其全光学特性，兼具体积小、功耗低等特点，使得它广泛用于各类磁场测量场合。其中低航向误差和无死区的物理属性，使得它在某些移动测磁领域更有着独特的优势。

目前，CPT磁强计系统所需的双色相干光束的获取手段主要有三种：

1.通过染料激光器的不同模式产生双频相干光，如文献：M.O.ScullyandM.Fleischhauer,PhysicalReviewLetters69,1360(1992).所记载；

2.通过锁相环技术将一台激光器锁定于另一台参考激光器上，获得双频相干光，如文献：A.N.R.Wynands,Appl.Phys.B68,1(1999).所记载；

3.另一种是通过微波调制垂直腔面发射激光器（VCSEL）获得，如文献：R.Wynands,S.Knappe,J.Kitching,L.Hollberg,A.Taichenachev,andV.Yudin,Opticsletters27,1472(2002).所记载。

CPT现象是于染料激光器产生的光场中首先观测到的，但是染料激光器输出光线宽较宽，频率差调节不便，信号对比度不高，所以基本已经退出了CPT所需光源的制备领域；通过锁相环将两台激光器相位统一原理上能够实现任意频率差的激光输出，而且两束光束空间独立，调节较为方便，但系统相对复杂；微波调制垂直腔面激光器的方法因为它成本低廉，操作方便，成为目前本领域应用最广泛的方法。

上述三种方法中后两种都有其特有的优势，但是在测量过程中皆需要对其频率进行扫描，所以不利于激光器的长期稳定，也不利于磁强计的长期稳定工作，同时也对磁强计的闭环产生了一定的障碍。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，改变已有CPT测磁系统中的相干光源的产生方式，利用原子固有性质，实现对磁场的绝对跟踪测量、梯度测量或者磁图绘制。

本发明提出的基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，包括：

激光光源，用于产生频率稳定的激光；

光纤电光调制器，用于接收激光，并根据频率综合器的经调制的微波调制信号，产生相干光源，光纤电光调制器通过单模保偏光纤与激光光源相连，通过高频信号线与频率综合器相连；

探测光路，用于接收相干光源，探测外部磁场对激光吸收强度产生的变化，产生相应的电压信号，探测光路通过单模保偏光纤与光纤电光调制器相连；

锁相放大器，用于接收探测光路产生的电压信号和信号源产生的正弦调制信号，将电压信号与正弦调制信号进行混频滤波，得到一个误差信号，并将该误差信号输送至伺服控制器，锁相放大器同时通过信号线与探测光路和信号源相连；

信号源，用于产生一个正弦调制信号和一个三角波扫频信号，并将正弦调制信号与三角波扫频信号发送至加法器，同时将其中的正弦调制信号发送至锁相放大器，信号源同时与锁相放大器和加法器相连；

加法器，用于接收信号源的正弦调制信号、三角波扫频信号和来自伺服控制器的反馈控制信号，并将正弦调制信号、三角波扫频信号与反馈控制信号相加，得到闭环电压信号，并将闭环电压信号发送至频率综合器，加法器通过信号线同时与信号源和频率综合器相连；

频率综合器，用于接收加法器的闭环电压信号，将闭环电压信号转换成为调制频率，并将调制频率叠加到由频率综合器本身产生的微波信号上，得到经调制的微波调制信号，频率综合器通过信号线与光纤电光调制器相连；

伺服控制器，用于接收锁相放大器的误差信号，根据误差信号产生一个反馈控制信号，并将该反馈控制信号同时发送至加法器和数据处理器，伺服控制器通过信号线同时与加法器和数据处理器相连；

数据处理器，用于接收伺服控制器的反馈控制信号，并将反馈控制信号的电压转换成待测磁场强度。

上述测磁系统中的探测光路，可以有两种不同结构，其中：

第一种提出光路的结构为：

光纤耦合头，用于接收来自光纤电光调制器的相干光源，并将相干光源转换为空间相干光；

半波长玻片，用于接收空间相干光，调节空间相干光的偏振面；

偏振分光镜，用于对偏振面调节后的空间相干光进行分光，得到两束线偏振光，两束线偏振光中的一束偏振光入射到碱金属气室中；

碱金属气室，用于使碱金属气室内的碱金属原子在待测磁场的影响下，对两束线偏振光中的透射的线偏振光的吸收强度产生变化；

光电探测器，用于探测碱金属原子对线偏振光的吸收强度的变化，并将透射光强度转化成电压信号，将该电压信号发送至锁相放大器；

上述光纤耦合头、半波长玻片、偏振分光镜、碱金属气室和光电探测器依次置于同一光路上。

第二中探测光路的结构为：

光纤耦合头，用于接收来自光纤电光调制器的相干光源，并将相干光源转换为空间相干光；

半波长玻片，用于接收空间相干光，调节空间相干光的偏振面；

偏振分光镜，用于对偏振面调节后空间相干光进行分光，得到两束线偏振光，两束线偏振光中的一束线偏振光入射到碱金属气室中，作为探测光入射到碱金属气室，另一束线偏振光入射到平面反射镜；

碱金属气室，用于使碱金属气室内的碱金属原子在待测磁场的影响下，对探测光的吸收强度产生变化，吸收强度变化后的探测光入射到平衡差分探测器；

平面反射镜，用于改变入射线偏振光的方向，将改变偏振方向的线偏振光作为参考光入射到平衡差分探测器；

平衡差分探测器，用于接收来自碱金属气室的吸收强度变化后的探测光与来自平面反射镜的参考光，并将探测光和参考光分别转化成电压信号，将两个电压信号做减法得到差分电压信号，将该差分电压信号发送至锁相放大器；

上述光纤耦合头、半波长玻片、偏振分光镜、碱金属气室、平面反光镜和平衡差分探测器通过光路相连。

本发明提出的基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，其优点是：

1、本发明提出的基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，独立于测量过程的稳频条件使得激光器能够长期稳定于所需的频率点，最大限度的降低了频率漂移带来的CPT信号强度变化。

2、本发明的测磁系统，测量过程独立，直接反馈给光纤电光调制器的闭环方式不影响激光器的频率稳定，可实现长时间的稳定闭环工作。

3、本发明的测磁系统，可根据需要自由扩展成为两环路或者多环路的磁场梯度仪和磁场测量阵列，这种配置下的测量系统可最大程度的减少由光源带来的信号扰动，抑制甚至消除共模噪声，实现更高精度的磁场参数测量。

附图说明

图1是本发明提出的基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统的结构框图。

图2是图1所示的测磁系统中探测光路的结构示意图。

图3是图1所示的测磁系统中探测光路的另一种结构示意图。

图4是图1所示的测磁系统在多测量环路模式下的结构框图。

图1-图4中，1是单模保偏光纤，2是光纤耦合头，3是半波长玻片，4是偏正分光镜，5是碱金属气室，6是光电探测器，7是平面反射镜，8是平衡差分探测器，9是分束保偏光纤。

具体实施方式

本发明提出的基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，其结构如图1所示，包括：

激光光源，用于产生频率稳定的激光；

光纤电光调制器，用于接收激光，并根据频率综合器的经调制的微波调制信号，产生相干光源，光纤电光调制器通过单模保偏光纤1与激光光源相连，通过高频信号线与频率综合器相连；

探测光路，用于接收相干光源，探测外部磁场对激光吸收强度产生的变化，产生相应的电压信号，探测光路通过单模保偏光纤与光纤电光调制器相连；

锁相放大器，用于接收探测光路产生的电压信号和信号源产生的正弦调制信号，将电压信号与正弦调制信号进行混频滤波，得到一个误差信号，并将该误差信号输送至伺服控制器，锁相放大器同时通过信号线与探测光路和信号源相连；

信号源，用于产生一个正弦调制信号和一个三角波扫频信号，并将正弦调制信号与三角波扫频信号发送至加法器，同时将其中的正弦调制信号发送至锁相放大器，信号源同时与锁相放大器和加法器相连；

加法器，用于接收信号源的正弦调制信号、三角波扫频信号和来自伺服控制器的反馈控制信号，并将正弦调制信号、三角波扫频信号与反馈控制信号相加，得到闭环电压信号，并将闭环电压信号发送至频率综合器，加法器通过信号线同时与信号源和频率综合器相连；

频率综合器，用于接收加法器的闭环电压信号，将闭环电压信号转换成为调制频率，并将调制频率叠加到由频率综合器本身产生的微波信号上，得到经调制的微波调制信号，频率综合器通过信号线与光纤电光调制器相连；

伺服控制器，用于接收锁相放大器的误差信号，根据误差信号产生一个反馈控制信号，并将该反馈控制信号同时发送至加法器和数据处理器，伺服控制器通过信号线同时与加法器和数据处理器相连；

数据处理器，用于接收伺服控制器的反馈控制信号，并将反馈控制信号的电压转换成待测磁场强度。

上述测磁系统中的探测光路，可以有两种不同结构，其中：

第一种提出光路的结构如图2所示，包括：

光纤耦合头2，用于接收来自光纤电光调制器的相干光源，并将相干光源转换为空间相干光；

半波长玻片3，用于接收空间相干光，调节空间相干光的偏振面；

偏振分光镜4，用于对偏振面调节后的空间相干光进行分光，得到两束线偏振光，两束线偏振光中的一束偏振光入射到碱金属气室中；

碱金属气室5，碱金属气室为一个碱金属以原子蒸气状态密闭存储的玻璃腔体，用于使碱金属气室内的碱金属原子在待测磁场的影响下，对两束线偏振光中的透射的线偏振光的吸收强度产生变化；

光电探测器6，用于探测碱金属原子对线偏振光的吸收强度的变化，并将透射光强度转化成电压信号，将该电压信号发送至锁相放大器；

上述光纤耦合头2、半波长玻片3、偏振分光镜4、碱金属气室5和光电探测器6依次置于同一光路上。

第二中探测光路的结构如图3所示，包括：

光纤耦合头2，用于接收来自光纤电光调制器的相干光源，并将相干光源转换为空间相干光；

半波长玻片3，用于接收空间相干光，调节空间相干光的偏振面；

偏振分光镜4，用于对偏振面调节后空间相干光进行分光，得到两束线偏振光，两束线偏振光中的一束线偏振光入射到碱金属气室中，作为探测光入射到碱金属气室，另一束线偏振光入射到平面反射镜；

碱金属气室5，碱金属气室为一个碱金属以原子蒸气状态密闭存储的玻璃腔体，用于使碱金属气室内的碱金属原子在待测磁场的影响下，对探测光的吸收强度产生变化，吸收强度变化后的探测光入射到平衡差分探测器；

平面反射镜7，用于改变入射线偏振光的方向，将改变偏振方向的线偏振光作为参考光入射到平衡差分探测器；

平衡差分探测器8，用于接收来自碱金属气室的吸收强度变化后的探测光与来自平面反射镜的参考光，并将探测光和参考光分别转化成电压信号，将两个电压信号做减法得到差分电压信号，将该差分电压信号发送至锁相放大器；

上述光纤耦合头2、半波长玻片3、偏振分光镜4、碱金属气室5、平面反光镜7和平衡差分探测器8通过光路相连。

本发明提出的基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，其中的激光源，为一般的半导体激光器，可调节至所需频率附近让其自由运转，也可运用一定的稳频方式将其稳定在所需的谱线上，如饱和吸收稳频法、交流塞曼稳频法或无多普勒背景的双色光稳频法（DFDL）方法等，用于产生频率稳定的激光。其中的光纤电光调制器，用于接收激光，并根据频率综合器的经调制的微波调制信号，产生相干光源，该相干光源为以输入激光作为载波的激光和经光纤电光调制器调制得到的±1级边带合成光。

本发明提出的基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，可以用于进行多环路扩展，如图4所示，其中的激光可以分成需要的多路激光，激光通过分束保偏光纤9连接到本发明的测磁系统，再通过信号线与一个数据处理单元相连，数据处理单元接收各测磁系统的反馈控制信号，并对各测量环路的反馈控制信号进行处理，根据需要计算得出磁场梯度值或者绘制磁场分布图。

以下介绍本发明测磁系统的实施例：

实施例1：

下面结合附图2和具体实施例对本发明作进一步的详细叙述，该实施例是作为单环路测量系统的典型实施例，可实现对磁场的绝对跟踪测量。

在光源部分采用795nm波长半导体激光器，并利用无多普勒背景的双色光稳频法（DFDL）方式将其锁定于⁸⁷Rb的|F=2>→|F=2’>谱线上。光纤电光调制器的输出端包含三种频率光波，分别是对应|F=2>→|F=2’>谱线的载波，与载波频率相差±6.8GHz的±1级边带，并通过调节频率综合器的输出功率将±1级边带与载波的功率比调制为1:1:1。

单模保偏光纤经过光纤耦合头2，紧接着由半波长玻片3和偏振分光镜4形成光强可调的的两束空间线偏光，在充有Ne气的⁸⁷Rb蒸汽室5内，激光场与铷原子相互作用，形成了|F=2>→|F=2’>与|F=1>→|F=2’>共同构成的Λ构型，从而形成CPT暗态。通过充有Ne气的⁸⁷Rb蒸汽室5的总光强可在100μW到1mW之间调节。

信号源产生的三角波扫频信号频率可定为10Hz，幅度可根据需要在1V到6V进行调节，输出的正弦波调制信号频率为10kHz，幅值可在百mV量级。频率综合器本身设置的微波频率可以根据磁场大小预先设置，弱磁场范围内可设置成⁸⁷Rb基态能级差6.834682610904GHz，其他情况下可根据外部磁场估计值进行自动的相应调整。

数据处理单元在弱磁场范围内可根据公式KU≈2M_FγB，进行简单换算。最终测得磁场强度为B＝KU/2M_Fγ，单位nT。其中K为频率综合器电压频率转换系数，单位为kHz/V；U为反馈控制信号电压值，单位为V；M_F超精细能级磁子能级磁量子数，此处可取M_F＝2；γ是塞曼效应的旋磁比，此处取γ≈7Hz/nT。

实施例2：

下面结合附图3和具体实施例对本发明作进一步的详细叙述，该实施例是作为单环路测量系统的典型实施例，可实现对磁场的绝对跟踪测量。

该实施例可在实施例1的基础上对探测光路部分进行改进。光源部分仍利用无多普勒背景的双色光稳频法（DFDL）方式将其锁定于⁸⁷Rb的|F=2>→|F=2’>谱线上。激光光源产生的激光经过单模保偏光纤1由光纤耦合头2转换为空间光，紧接着由半波长玻片3和偏振分光镜4分为两束，两束线偏振光中的一束线偏振光入射到碱金属气室中，将这一束线偏振光作为探测光，用于感知碱金属原子在外部磁场的影响下对探测光吸收强度的影响并入射至平衡差分探测器8的一个探测口，另一束线偏振光作为参考光束经由平面反射镜入射至平衡差分探测器8的另一个探测口。平衡差分探测器8，用于探测探测光和参考光束的光强变化，并将透射光强度和参考光强度分别转化成电压信号，将这两个电压信号做减法得到差分电压信号，将该差分电压信号发送至锁相放大器。

实施例3：

下面结合图4和具体实施例对本发明作进一步的详细叙述，该实施例是作为多环路测量系统的典型实施例，可实现磁场梯度仪和磁场测量阵列的配置。

该实施例可在实施例1或者2的基础上进行方便扩展。光源部分仍利用无多普勒背景的双色光稳频法（DFDL）方式将其锁定于⁸⁷Rb的|F=2>→|F=2’>谱线上。在激光器光源的出口处，利用分束保偏光纤9将其分为多束，并分别输入不同的测量环路作为单路光源。图4中每个测量环路的配置可参考实施例1或2中的方案。最终由数据处理单元从各路的伺服放大器输出端口读取每个环路的反馈控制信号并转化成磁场强度信号，并进一步转化成磁场梯度信号或者绘制磁场分布图。

Claims (2)

1.一种基于光纤电光调制器的可自由扩展测磁系统，其特征在于，该测磁系统包括：

激光光源，用于产生频率稳定的激光；

光纤电光调制器，用于接收激光，并根据频率综合器的经调制的微波调制信号，产生相干光源，光纤电光调制器通过单模保偏光纤与激光光源相连，通过高频信号线与频率综合器相连；

探测光路，用于接收相干光源，探测外部磁场对激光吸收强度产生的变化，产生相应的电压信号，探测光路通过单模保偏光纤与光纤电光调制器相连；

锁相放大器，用于接收探测光路产生的电压信号和信号源产生的正弦调制信号，将电压信号与正弦调制信号进行混频滤波，得到一个误差信号，并将该误差信号输送至伺服控制器，锁相放大器同时通过信号线与探测光路和信号源相连；

信号源，用于产生一个正弦调制信号和一个三角波扫频信号，并将正弦调制信号与三角波扫频信号发送至加法器，同时将其中的正弦调制信号发送至锁相放大器，信号源同时与锁相放大器和加法器相连；

加法器，用于接收信号源的正弦调制信号、三角波扫频信号和来自伺服控制器的反馈控制信号，并将正弦调制信号、三角波扫频信号与反馈控制信号相加，得到闭环电压信号，并将闭环电压信号发送至频率综合器，加法器通过信号线同时与信号源和频率综合器相连；

频率综合器，用于接收加法器的闭环电压信号，将闭环电压信号转换成为调制频率，并将调制频率叠加到由频率综合器本身产生的微波信号上，得到经调制的微波调制信号，频率综合器通过信号线与光纤电光调制器相连；

伺服控制器，用于接收锁相放大器的误差信号，根据误差信号产生一个反馈控制信号，并将该反馈控制信号同时发送至加法器和数据处理器，伺服控制器通过信号线同时与加法器和数据处理器相连；

数据处理器，用于接收伺服控制器的反馈控制信号，并将反馈控制信号的电压转换成待测磁场强度；

所述的探测光路包括：

光纤耦合头，用于接收来自光纤电光调制器的相干光源，并将相干光源转换为空间相干光；

半波长玻片，用于接收空间相干光，调节空间相干光的偏振面；

偏振分光镜，用于对偏振面调节后的空间相干光进行分光，得到两束线偏振光，两束线偏振光中的一束偏振光入射到碱金属气室中；

碱金属气室，用于使碱金属气室内的碱金属原子在待测磁场的影响下，对两束线偏振光中的透射的线偏振光的吸收强度产生变化；

光电探测器，用于探测碱金属原子对线偏振光的吸收强度的变化，并将透射光强度转化成电压信号，将该电压信号发送至锁相放大器；

上述光纤耦合头、半波长玻片、偏振分光镜、碱金属气室和光电探测器依次置于同一光路上。

2.如权利要求1所述的测磁系统，其特征在于其中所述的探测光路包括：

光纤耦合头，用于接收来自光纤电光调制器的相干光源，并将相干光源转换为空间相干光；

半波长玻片，用于接收空间相干光，调节空间相干光的偏振面；

偏振分光镜，用于对偏振面调节后空间相干光进行分光，得到两束线偏振光，两束线偏振光中的一束线偏振光入射到碱金属气室中，作为探测光入射到碱金属气室，另一束线偏振光入射到平面反射镜；

碱金属气室，用于使碱金属气室内的碱金属原子在待测磁场的影响下，对探测光的吸收强度产生变化，吸收强度变化后的探测光入射到平衡差分探测器；

平面反射镜，用于改变入射线偏振光的方向，将改变偏振方向的线偏振光作为参考光入射到平衡差分探测器；

平衡差分探测器，用于接收来自碱金属气室的吸收强度变化后的探测光与来自平面反射镜的参考光，并将探测光和参考光分别转化成电压信号，将两个电压信号做减法得到差分电压信号，将该差分电压信号发送至锁相放大器；

上述光纤耦合头、半波长玻片、偏振分光镜、碱金属气室、平面反光镜和平衡差分探测器通过光路相连。