CN103869265B - 用于光泵磁力仪的原子磁传感器 - Google Patents
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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)、第三半波片(5)、第四半波片(8)、第五半波片(9)、第一偏振分束棱镜(2)、第三偏振分束棱镜(6)、第四偏振分束棱镜(10)、第五偏振分束棱镜(7)、第六偏振分束棱镜(11)、第一四分之一波片(12)、第二四分之一波片(13)、第一原子气室(14)、第二原子气室(15)、第一亥姆霍兹线圈(16)、第二亥姆霍兹线圈(17)、第一光电探测器(18)、第二光电探测器(19)。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
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霍兹线圈，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，原子能级(特别是外磁场下的磁子能级)发生移动，磁共振频率因此发生变化，由磁共振频率推算出的磁场值也发生变化，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：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、第三半波片、第四半波片、第五半波片、第一偏振分束棱镜、第三偏振分束棱镜、第四偏振分束棱镜、第五偏振分束棱镜、第六偏振分束棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一原子气室、第二原子气室、第一亥姆霍兹线圈、第二亥姆霍兹线圈、第一光电探测器、第二光电探测器；激光光源发射激光光束，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，线偏振光光束经过第三半波片与第三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；透射光依次透过第四半波片、第四偏振分束棱镜、第一四分之一波片后转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至第一原子气室，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室，同时缠绕于第一原子气室周围的第一亥姆霍兹线圈，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；透射出第一原子气室的透射光入射至第一光电探测器，第一光电探测器置于第一原子气室后侧，通过第三偏振分束棱镜6后的反射光经过第五偏振分束棱镜7反射后，光的传播方向与通过第三偏振分束棱镜6后的透射光平行，且依次透过第五半波片、第六偏振分束棱镜、第二四分之一波片后转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至第二原子气室，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室；同时缠绕于第二原子气室周围的第二亥姆霍兹线圈，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；透射出第二原子气室的透射光入射至第二光电探测器，第二光电探测器置于第二原子气室后侧。
进一步，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，反射光输出至外部设备，透射光经过第三半波片与第三偏振分束棱镜。
进一步，所述的第一原子气室和第二原子气室通过玻璃管连通。
本发明具有以下有益效果：
1.理论研究和实验结果表明，在激光光泵磁力仪中，对于同一原子气室(或外形、气压等参数完全相同的两原子气室)，分别使用左旋和右旋圆偏振光作为探测光，所测得磁场值在激光近共振区随激光频率变化呈线性变换趋势，且两者变化趋势相反。由于本发明的原子磁传感器具有双原子气室结构，且两路探测光信号分别为左旋(右旋)圆偏振光和右旋(左旋)圆偏振光，因此，能够通过双路信号叠加和平均处理和抵消测量磁场值在激光近共振区随激光中心频率的变化，从而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。
2.由于本发明中将第一原子气室和第二原子气室通过玻璃管连通，保证了两原子气室的参数相同，从而使得通过双路信号叠加方式消除光频移影响的效果最佳。
3、由于本发明增加了第二半波片与第二偏振分束棱镜，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，所以反射光可以用于功率稳定。
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，第二半波片3，第三半波片5，第四半波片8，第五半波片9，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，第四偏振分束棱镜10，第五偏振分束棱镜7，第六偏振分束棱镜11，第一四分之一波片12，第二四分之一波片13，第一原子气室14，第二原子气室15，第一亥姆霍兹线圈16，第二亥姆霍兹线圈17，第一光电探测器18，第二光电探测器19。
激光光源发射激光光束，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，透射光经过第三半波片5与第三偏振分束棱镜6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。透射光依次透过第四半波片8、第四偏振分束棱镜10、第一四分之一波片12后转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至第一原子气室14，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室；同时缠绕于第一原子气室14周围的第一亥姆霍兹线圈16，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；透射出第一原子气室14的透射光入射至第一光电探测器18，第一光电探测器18置于第一原子气室14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。通过第三偏振分束棱镜(6)后的反射光经过第五偏振分束棱镜(7)反射后，光的传播方向与通过第三偏振分束棱镜(6)后的透射光平行，且依次透过第五半波片9、第六偏振分束棱镜11、第二四分之一波片13后转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至第二原子气室15，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室；同时缠绕于第二原子气室15周围的第二亥姆霍兹线圈17，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；透射出第二原子气室15的透射光入射至第二光电探测器19，第二光电探测器19置于第二原子气室15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。
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。反射光可用于光强稳定。
通过旋转第三半波片5，可以调节经过第三偏振分束棱镜6后产生偏振方向垂直的透射光与反射光的光强比率。
通过分别调节第一四分之一波片12和第二四分之一波片13，使得两路圆偏振光分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光或右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。由于使用左旋和右旋圆偏振光作为探测光所测得磁场值在激光近共振区随激光频率的变化趋势相反，所以通过双路信号叠加和平均处理，可以抵消测量磁场值在激光近共振区随激光中心频率的变化，从而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的误差。
所述的第一原子气室14和第二原子气室15通过玻璃管连通。本实施例中原子磁传感器中的两个原子气室的参数指标(形状、尺寸、气压等)相同时，消除光频移影响的效果最佳，因此本发明通过玻璃管连通第一原子气室14和第二原子气室15，保证了两气室的参数相同。
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。
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，说明本发明的工作过程与原理：
1、选用的具体器件如下
第一半波片1、第二半波片3、第三半波片5、第四半波片8、第五半波片9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、第四偏振分束棱镜10、第五偏振分束棱镜7、第六偏振分束棱镜11均为中心波长为1083nm的偏振分束棱镜。第一四分之一波片12、第二四分之一波片3均为中心波长为1083nm的四分之一波片。第一原子气室14，第二原子气室15均为底面直径40mm，高65mm的圆柱体玻璃气泡，内部充氦(4He)原子气体，气压0.4Torr。第一光电探测器18、第二光电探测器19均为能够响应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。
2、工作过程和原理
如图1所示，1083nm的激光光束通过第一半波片1后入射至第一偏振分束棱镜2，转变为线偏振光透射，旋转第一半波片1可以改变透射光的强度。透射激光通过第二半波片3后入射至第二偏振分束棱镜4，由第二偏振分束棱镜4分解为偏振方向互相垂直的线偏振的透射光与反射光，旋转第二半波片3可以改变透射光和反射光的光强比例，反射光用于激光强度的稳定。透射激光通过第三半波片5后入射至第三偏振分束棱镜6，由第三偏振分束棱镜6分解为偏振方向垂直的线偏振的透射光与反射光，旋转第三半波片5可以改变两路光强的比率。反射光经过第五偏振分束棱镜7反射后，与透射光传播方向平行。反射光通过第四半波片8与第四偏振分束棱镜10的组合后出射，旋转第四半波片8可以改变出射光强度，出射光经过第一四分之一波片12后转换为左旋圆偏振光；透射光通过第五半波片9与第六偏振分束棱镜11的组合后出射，旋转第五半波片9可以改变出射光强度，出射光经过第一四分之一波片12后转换为右旋圆偏振光。左旋圆偏振光入射至第一原子气室14，与气室内的氦原子发生光泵浦作用后出射，出射光由第一光电探测器18接收。右旋圆偏振光入射至第二原子气室15，与气室内的氦原子发生光泵浦作用后出射，出射光由第二光电探测器19接收。第一原子气室14与第二原子气室15由玻璃管连通，使得两原子气室内的气压等性能指标保持一致。第一亥姆霍兹线圈16缠绕在第一原子气室14外部，产生交变磁场，并进一步实现磁共振。第二亥姆霍兹线圈17分别缠绕在第二原子气室15，产生交变磁场，并进一步实现磁共振。两对线圈产生的磁场方向相同，即垂直于原子气室底面轴线方向，且与光束传播方向垂直。将第一光电探测器18和第二光电探测器19接收到的透射光信号引出至后续的数据采集处理模块进行求和处理，并进一步结合激光光泵磁力仪的磁共振信号检测电路模块实现磁共振信号闭环检测与锁定与输出，即可实现外磁场测量。
实验结果如下：
如图2所示，图中虚线与点划线所示分别为传统激光光泵氦原子磁力仪使用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光作为探测光所测得的外磁场值随在近共振区激光光源中心频率(波长)变化的结果图。可以看出，所测得磁场值在激光近共振区随激光频率基本呈线性变化的趋势，且两者变化趋势相反。图中实线所示为将本发明氦原子磁传感器应用于激光光泵磁力仪所探测得的外磁场值在近共振区随激光光源中心频率(波长)的变化结果图。可以看出，由于本发明的原子磁传感器具有双原子气室结构，且两路探测光信号分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，因此，通过对探测得的双路信号进行叠和平均处理，最终所测得的磁场值几乎不随着激光光源中心频率变化而改变，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，包括第一半波片(1)、第三半波片(5)、第四半波片(8)、第一偏振分束棱镜(2)、第三偏振分束棱镜(6)、第四偏振分束棱镜(10)、第一四分之一波片(12)、第一原子气室(14)、第一亥姆霍兹线圈(16)、第一光电探测器(18)，其特征在于：还包括第五偏振分束棱镜(7)、第五半波片(9)、第六偏振分束棱镜(11)、第二四分之一波片(13)、第二原子气室(15)、第二亥姆霍兹线圈(17)、第二光电探测器(19)；激光光源发射激光光束，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三半波片(5)与第三偏振分束棱镜(6)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；透射光依次透过第四半波片(8)、第四偏振分束棱镜(10)、第一四分之一波片(12)后转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至第一原子气室(14)，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室，同时缠绕于第一原子气室(14)周围的第一亥姆霍兹线圈(16)，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；透射出第一原子气室(14)的透射光入射至第一光电探测器(18)，第一光电探测器(18)置于第一原子气室(14)后侧，通过第三偏振分束棱镜(6)后的反射光经过第五偏振分束棱镜(7)反射后，光的传播方向与通过第三偏振分束棱镜(6)后的透射光平行，且依次透过第五半波片(9)、第六偏振分束棱镜(11)、第二四分之一波片(13)后转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至第二原子气室(15)，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室；同时缠绕于第二原子气室(15)周围的第二亥姆霍兹线圈(17)，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；透射出第二原子气室(15)的透射光入射至第二光电探测器(19)，第二光电探测器(19)置于第二原子气室(15)后侧。
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，透射光经过所述的第三半波片(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：所述的第一原子气室(14)和第二原子气室(15)通过玻璃管连通。
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