CN103869264A - 用于光泵磁力仪的原子磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光泵磁力仪技术领域，公开了一种用于光泵磁力仪的原子磁传感器。本发明的原子磁传感器包括第一半波片(1)、第一偏振分束棱镜(2)、第三半波片(5)、第三偏振分束棱镜(6)、四分之一玻片(7)、亥姆霍兹线圈(8)、原子气室(9)、反射镜(10)、棱镜(11)、光电探测器(12)。采用本发明可以消除激光光泵原子磁力仪中的光频移现象引起的磁场测量结果误差，提升激光光泵原子磁力仪性能指标。

Description

用于光泵磁力仪的原子磁传感器

技术领域

本发明涉及光泵磁力仪技术领域，尤其涉及一种用于光泵磁力仪的原子磁传感器。

背景技术

磁力仪是磁力测量仪器的统称。高灵敏度磁力测量技术在生物医学、地球物理、空间探索以及军事与国防等领域都有着广泛且重要的应用。目前，国内外磁力测量研究水平差异显著。国外先进水平的磁力仪在灵敏度指标等方面已远超过我国，因此，自主研制高灵敏度磁力仪，具有战略意义。光泵原子磁力仪是目前最成熟的高灵敏度磁力仪之一，其中激光光泵原子磁力仪由于单色性好、选择特性优良等优势，能够极大程度地提升性能指标，因而成为国内外研究热点。

传统的激光光泵原子磁力仪基于原子的光磁双共振原理，通常由激光光源、原子磁传感器、磁共振信号检测电路三部分构成。激光光源产生特定波长(频率)、强度与频谱宽度的激光光束，激光中心频率为使得原子磁传感器内原子产生光泵浦作用的光频率值。原子磁传感器包括若干偏振器件、一个原子气室、一对亥姆霍兹线圈以及光电探测器：偏振器件通常为波片与偏振分束棱镜等光学器件的组合，使得激光光源产生的激光光束具有特定的偏振方向；原子气室是充有一定压强的原子气体的玻璃泡，激光光束入射至原子气室，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室；同时缠绕于原子气室周围的亥姆赫兹线圈，产生具有一定频率且方向垂直于激光光束传播方向的交变磁场，当交变磁场的频率恰好等于原子塞曼磁子能级跃迁频率时，产生磁共振；光电探测器置于原子气室后侧，实时探测透过原子气室的光信号，并将光信号转换为电信号。磁共振信号检测电路对光电探测器探测得到的电信号进行处理，通过滤波、放大、锁相等，反馈控制亥姆霍兹线圈，跟踪锁定磁共振产生时对应的频率，同时推算出外界磁场大小，实现磁场测量。

传统的激光光泵原子磁力仪虽然能够实现磁场测量，但由于光频移现象的存在，光频移指在一定的激光光束作用下，原子的能级会发生一定的移动，移动的大小与激光的频率以及功率相关。由于激光光泵磁力仪主要通过测量原子的相邻磁子能级之间的频率间隔来实现对外磁场大小的测量，因此，激光的频率噪声以及功率噪声将会通过光频移，致使某一磁子能级产生随机的移动，改变相邻磁子能级之间的频率间隔，直接影响探测得到的磁场值，因此，传统的激光光泵原子磁力仪磁场测量结果存在误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供了一种用于激光光泵磁力仪的原子磁传感器，消除激光光泵原子磁力仪中的光频移现象引起的磁场测量结果误差。

为解决上述技术问题：本发明提出了一种用于激光光泵磁力仪的原子磁传感器，包括第一半波片、第一偏振分束棱镜、第三半波片、第三偏振分束棱镜、四分之一玻片、亥姆霍兹线圈、原子气室、反射镜、棱镜、光电探测器。

光源模块发射激光光束，激光光束经过第一半波片与第一偏振分束棱镜后，透射激光变为线偏振光，线偏振光光束依次经过第三半波片、第三偏振分束棱镜、四分之一玻片后，线偏振光转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至原子气室，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室，同时缠绕于原子气室周围的亥姆赫兹线圈，产生具有一定频率且方向垂直于激光光束传播方向的交变磁场；透射出原子气室的透射光入射至反射镜，被反射镜反射的圆偏振光再一次入射至原子气室，其入射方向通过转动反射镜进行调节，调节经过反射镜反射后的圆偏振光与入射到反射镜的圆偏振光之间存在一定距离；反射圆偏振光经过原子气室后，经过四分之一玻片，经过四分之一玻片后变为线偏振光，线偏振光经过第三偏振分束棱镜后被反射，反射光经过棱镜后入射至光电探测器。

进一步，所述原子磁传感器还包括第二半波片与第二偏振分束棱镜；激光光束经过第一半波片与第一偏振分束棱镜后，透射激光变为线偏振光，线偏振光光束经过第二半波片与第二偏振分束棱镜后，产生透射光与反射光，且透射光与反射光的偏振方向互相垂直，其中，反射光用于功率稳定，透射光经过第三半波片与第三偏振分束棱镜。

进一步，所述反射镜调节经过反射镜反射后的圆偏振光与入射到反射镜的圆偏振光之间的距离等于发射激光光斑大小。

本发明具有以下有益效果：

对于传统的激光光泵磁力仪，由于光频移的存在，磁力仪探测得到的结果与激光的频率之间呈线性关系。对于相同的外磁场值，对于不同的激光频率，激光光泵磁力仪将会得到不同的测量结果。本发明通过在激光光泵磁力仪的原子磁传感器内部添加反射镜，并通过转动反射镜，改变入射光与反射光之间的相对距离。申请人通过长期研究发现，通过反射镜的入射光与反射光之间保持一定距离，就能够在一定的频率范围内消除光频移带来的影响，即使得激光光泵磁力仪的探测结果不随激光的频率变化而变化。从而消除激光光泵原子磁力仪中的由于光频移引起的磁场测量结果的误差，提升激光光泵原子磁力仪性能指标。

(2)反射镜的入射光与反射光之间的距离等于发射激光光斑大小时，效果最佳。

附图说明

图1为本发明的原子磁传感器结构示意图。

图2为本实施例中激光光泵氦原子磁力仪测得的磁场随激光中心波长变化的规律示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，本发明用于激光光泵磁力仪的原子磁传感器包括：第一半波片1，第一偏振分束棱镜2，第二半波片3，第二偏振分束棱镜4，第三半波片5，第三偏振分束棱镜6，四分之一玻片7，亥姆霍兹线圈8，原子气室9，反射镜10，棱镜11，光电探测器12。

光源模块发射激光光束，激光光束经过第一半波片1与第一偏振分束棱镜2后，透射激光变为线偏振光，线偏振光光束经过第二半波片3与第二偏振分束棱镜4后，产生透射光与反射光，且透射光与反射光的偏振方向互相垂直，其中，反射光输出至外部设备，用于功率稳定，透射光依次经过第三半波片5、第三偏振分束棱镜6、四分之一玻片7后，线偏振光转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至原子气室9，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室；同时缠绕于原子气室9周围的亥姆赫兹线圈8，产生具有一定频率且方向垂直于激光光束传播方向的交变磁场；透射出原子气室9的透射光入射至反射镜10，被反射镜10反射的圆偏振光再一次入射至原子气室9，其入射方向通过转动反射镜10进行调节，调节经过反射镜10反射后的圆偏振光与入射到反射镜10的圆偏振光之间存在一定距离；反射圆偏振光经过原子气室9后，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室，透射出原子气室9的圆偏振光经过四分之一玻片7后，变为线偏振光。线偏振光经过第三偏振分束棱镜6，被完全反射。第三偏振分束棱镜6的反射光经过棱镜11后入射至光电探测器12，光电探测器12实时探测透过原子气室的光信号，并将光信号转换为电信号。

通过旋转第一半波片1，可以调节透过第一半波片1与第一偏振分束棱镜2后的线偏振透射光强。

通过旋转第二半波片3，可以调节经过第二偏振分束棱镜4的透射光与反射光光强比率。

通过转动反射镜10，调节经过反射镜10反射后的圆偏振光与入射到反射镜10的圆偏振光之间存在一定距离；存在的距离等于激光的光斑大小。当反射镜10反射后的圆偏振光与入射到反射镜10的圆偏振光之间存在一定距离，就能够在激光频率范围内，消除光频移带来的测量误差及噪声。

偏振分束棱镜6反射后的线偏振光通过棱镜11后，反射的线偏振光光斑能够产生汇聚，使得光电探测器12能够对激光光功率进行完全探测。

偏振分束棱镜、半波片、四分之一波片中心波长均为激光中心波长(中心频率)。

下面以用于激光光泵磁力仪的氦(⁴He)原子磁传感器为具体实例，说明本发明的效果：

1、选用的具体器件如下

光源模块发出的是1083nm激光光束，激光光斑直径为3mm。第一半波片1、第二半波片3、第三半波片5均为中心波长为1083nm的半波片。第一偏振分束棱镜2、第二偏振分束棱镜4、第三偏振分束棱镜6均为中心波长为1083nm的偏振分束棱镜。四分之一波片7为中心波长为1083nm的四分之一波片。原子气室9为底面直径40mm，高65mm的圆柱体玻璃气泡，内部充氦(⁴He)原子气体，气压0.4Torr。光电探测器12为能够响应1083nm中心波长光信号的InGaAs光电管。上述各部件固定封装于聚四氟乙烯材料制作的外壳中。

如图2所示，图中红线表示通过调节第一反射镜10使得第一原子气室9内的两束光之间的相互距离为3mm时，激光光泵磁力仪探测得到的磁场值随激光频率的变化趋势图。从图2看出，在一定的激光入射频率范围内，磁力仪探测得到的结果不随激光频率的变化而变化，近似维持一恒定值，即消除了激光光泵氦原子磁力仪中的光频移现象引起的磁场测量结果的误差，提升激光光泵原子磁力仪的性能指标。经过实验验证，相对于传统的单路磁传感器，本发明能够在一定的激光频率范围内消除光频移现象的影响，改善激光光泵原子磁力仪性能，降低噪声，显著提升灵敏度指标。

Claims (3)

1.一种用于激光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于：包括第一半波片(1)、第一偏振分束棱镜(2)、第三半波片(5)、第三偏振分束棱镜(6)、四分之一玻片(7)、亥姆霍兹线圈(8)、原子气室(9)、反射镜(10)、棱镜(11)、光电探测器(12)；

激光光束经过第一半波片(1)与第一偏振分束棱镜(2)后，透射激光变为线偏振光，线偏振光光束依次经过第三半波片(5)、第三偏振分束棱镜(6)、四分之一玻片(7)后，线偏振光转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至原子气室(9)，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室，同时缠绕于原子气室(9)周围的亥姆赫兹线圈(8)，产生具有一定频率且方向垂直于激光光束传播方向的交变磁场；透射出原子气室(9)的透射光入射至反射镜(10)，被反射镜(10)反射的圆偏振光再一次入射至原子气室(9)，其入射方向通过转动反射镜(10)进行调节，调节经过反射镜(10)反射后的圆偏振光与入射到反射镜(10)的圆偏振光之间存在一定距离；反射圆偏振光经过原子气室(9)后，经过四分之一玻片(7)，经过四分之一玻片(7)后变为线偏振光，线偏振光经过第三偏振分束棱镜(6)后被反射，反射光经过棱镜(11)后入射至光电探测器(12)。

2.根据权利要求1所述的用于激光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于：所述原子磁传感器还包括第二半波片(3)与第二偏振分束棱镜(4)；激光光束经过第一半波片(1)与第一偏振分束棱镜(2)后，透射激光变为线偏振光，线偏振光光束经过第二半波片(3)与第二偏振分束棱镜(4)后，产生透射光与反射光，且透射光与反射光的偏振方向互相垂直，其中，反射光输出至外部设备，透射光经过第三半波片(5)与第三偏振分束棱镜(6)。

3.根据权利要求1或2所述的用于激光光泵磁力仪的原子磁传感器，其特征在于：所述反射镜(10)调节经过反射镜(10)反射后的圆偏振光与入射到反射镜(10)的圆偏振光之间的距离等于发射激光光斑大小。

Images