CN104698410A - 用于磁力仪的原子磁传感器及消除磁力仪探测盲区的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光光泵磁力仪的原子磁传感器，包括在一激光光路上依次布置的：两个相互空间垂直的往返光学回路及一第三方向的原子吸收气室，所述光学回路分别具有一光轴，并各包括一原子吸收气室，用以将垂直其光轴方向传播的一束激光转换为沿其光轴方向传播的圆偏振光，并使所述圆偏振光对原子吸收气室内原子进行光泵浦后，从新沿垂直其光轴方向传播；一光电探测器，一光信号通过所述三个相互空间垂直的往返光学回路及第三方向的原子气室汇聚至所述光电探测器，并转化为电信号。能够消除激光光泵原子磁力仪在磁探测中的盲区问题，同时实现高灵敏度的磁场测量。本发明的还提供一种消除磁力仪探测盲区的方法。

Description

用于磁力仪的原子磁传感器及消除磁力仪探测盲区的方法

技术领域

本发明涉及光泵磁力仪技术领域，尤其涉及一种用于磁力仪的原子磁传感器及消除磁力仪探测盲区的方法。

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比较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磁光双共振原理，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、原子气室、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波璃泡，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，同时根据磁场与频率的换算关系，推算出磁场的大小，实现对磁场的测量。

传统的激光光泵原子磁力仪虽然能够实现磁场测量，但由于光的方向与探测磁场方向的夹角变化，影响探测信号的大小，在特定方向，无法探测光信号，出现盲区(dead zone),这一情况导致传统的激光光泵原子磁力仪无法适应移动平台对磁场的实时探测。对于磁力仪探测盲区问题，是目前移动平台磁探测的研究热点。

发明内容

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，能够消除激光光泵原子磁力仪在磁探测中的盲区问题，同时实现高灵敏度的磁场测量。

本发明的目的之一在于提供一种用于磁力仪的原子磁传感器，包括在一激光光路上依次布置的：

两个相互空间垂直的往返光学回路及一第三方向的原子吸收气室，所述光学回路分别具有一光轴，并各包括一原子吸收气室，用以将垂直其光轴方向传播的一束激光转换为沿其光轴方向传播的圆偏振光，并使所述圆偏振光对原子吸收气室内原子进行光泵浦后，从新沿垂直其光轴方向传播；

一光电探测器，一光信号通过所述三个相互空间垂直的往返光学回路及第三方向的原子气室汇聚至所述光电探测器，并转化为电信号。

进一步地，还包括一激光发生装置，用以发出一束激光。

进一步地，所述圆偏振光对原子吸收气室内原子进行光泵浦后，经过一偏振转换光路从新沿垂直光轴方向传播，偏振转换光路包括一个四分之一玻片及一个反射镜，两次经过四分之一玻片的线偏振光，偏振方向相互垂直。

进一步地，所述光泵原子磁传感器还包括在激光光路上依次布置的一无偏振影响的光强调节模块及一光电探测器。

进一步地，所述无偏振影响的光强调节模块包括在激光光路上依次布置的一二分之一波片、一起偏器、一二分之一波片、一偏振分光棱镜。

进一步地，所述往返光学回路还各包括在激光光路上依次布置的一二分之一波片、一偏振分光棱镜、一对四分之一波片、一对亥姆霍兹线圈、一对平面反射镜。

本发明的另一目的在于提供一种消除磁力仪探测盲区的方法，包括以下步骤：

1)从一激光发生装置发出的激光经过往返光学回路，形成X、Y、Z三个相互垂直方向的光泵浦，使空间磁场至少在一个方向上被探测；

2)往返光学回路将一束激光分成三个方向，探测光携带三个方向光信号汇聚于一个光电探测器上。

进一步地，步骤1)中所述激光经过一往返光学回路，将沿Z轴方向的光转换为沿X轴方向传播的光，通过泵浦X轴方向的吸收气室的原子后，往返传播的光从新回到Z轴方向，经又一往返光学回路又将沿Z轴的光转换为沿Y轴方向传播的光；形成了空间三个方向的光泵浦。

进一步地，步骤2)中所述往返光学回路所述往返光学回路包括一二分之一波片、一偏振分光棱镜、一对四分之一波片、一原子吸收气室、一对亥姆霍兹线圈、一对平面反射镜。

所述二分之一玻片用以调节入射线偏振光的偏振方向，使激光能够通过偏振分光棱镜反射，进入原子吸收气室；所述四分之一玻片位于原子吸收气室与偏振分光棱镜之间，用以形成圆偏振光，实现对原子气室内原子进行光泵浦；所述平面反射镜位于原子吸收气室之后，用以对投射光进行反射，使反射光依次经过原子吸收气室及四分之一玻片，此时激光转换为线偏振且偏振方向垂直于入射时的线偏振光方向，在投射过偏振分光棱镜，经过偏振转换光路返回，形成沿最初入射反向的出射光；偏振转换光路包括一个四分之一玻片及一个反射镜，两次经过四分之一玻片的线偏振光，偏振方向相互垂直。

本发明具有以下有益效果：

1.三维多光系磁传感器由于存在相互垂直的光传播方向，因此无论待测磁场的方向如何，在任意一个光传播方向都有投影(光与磁场方向相同，信号最大，垂直则没有信号)，因此，三维磁传感器的结构消除了探测盲区问题，提升激光光泵原子磁力仪实际应用的可靠性。

2.由于本发明中出现来回反射的激光光束，产生了饱和吸收信号，探测器二的探测信号不仅可以提取磁共振信号，同时也能够提取饱和吸收信号作为激光光源频率稳定的信号使用。

3、由于本发明增加了第二半波片与第一偏振分束棱镜，线偏振光光束经过第二半波片与第一偏振分束棱镜后，产生透射光与反射光，反射光可以用于功率稳定。

附图说明

图1为本发明的主要功能模块示意图

图2为本发明的原子磁传感器结构示意图。

附图标记说明：1-第一半波片；2-第一极化偏振片；3-第二半波片；4-第一偏振分束棱镜；5-第一光电探测器；6-第三半波片；7-第一反射镜；8-第一四分之一波片；9-第二偏振分束棱镜；10-第二四分之一波片；11-第一亥姆霍兹线圈；12-第一原子气室；13-第二反射镜；14-第三反射镜；15-第二亥姆霍兹线圈；16-第二原子气室；17-第三四分之一波片；18-第四半波片；19-第三偏振分束棱镜；20-第二光电探测器；21-第四四分之一波片；22-第三亥姆霍兹线圈；23-第三原子气室；24-第四反射镜。

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所示为本发明的主要功能模块示意图，其中，包括无偏振影响的光强调节模块，一部分光被分出，可用于检测光功率的变化，以用于稳定激光器的功率，包括X方向往返光学回路，形成X轴向的磁探测，包括Y方向的往返光学回路，形成Y轴方向的磁探测，最后激光通过Z轴方向的原子气室，形成Z方向的磁探测。X、Y、Z方向的光路可以调换，探测器至于光通过的最后一个原子气室后，用于对光信号的转换。

如图2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6，第四半波片18，第一极化偏振片2，第一偏振分束棱镜4，第二偏振分束棱镜9，第三偏振分束棱镜19，第一四分之一波片8，第二四分之一波片10，第三四分之一波片17、第四四分之一波片21，第一反射镜7、第二反射镜13、第三反射镜14、第四反射镜24、第一原子气室12，第二原子气室16，第三原子气室23，第一亥姆霍兹线圈11，第二亥姆霍兹线圈15，第三亥姆霍兹线圈22，第一光电探测器5，第二光电探测器20。，所有器件光学平面垂直于入射激光方向摆放，利用特殊设计的安装支架固定在一个由无磁材料加工的三维套筒内，确保各器件固定牢靠。

激光光源发射激光光束，激光光束经过第一半波片1与第一极化偏振片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与第一偏振分束棱镜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，用于光功率监测，以上为无偏振影响的光强调节模块，透射光经过第三半波片6与第二偏振分束棱9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。这里调节6只产生反射光，反透射光依次通过第二四分之一波片10后转变为圆偏振光，圆偏振光垂直入射至第一原子气室12，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12周围的第一亥姆赫兹线圈11，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12的透射光入射至第二反射镜13，透射激光通过第二反射镜13返回，经过第二四分之一波片10，转变为与入射偏振垂直的线偏振后依次通过光学器件9、8、7反射，经过第一四分之一波片8，，转变为偏振方向与入射垂直，经9反射，进入下一级；以上构成第一往返光学回路；第四半波片18调节光的透射及反射，调节18使光完全透过第三偏振分束棱镜19，经过第四四分之一波片转变为圆偏振光，光与第三原子气室23内原子相互作用，再经第四反射镜24反射，经过第四四分之一波片21，变换为与入射偏振相垂直线偏振光，经过第三偏振分束棱镜反射，进入第二原子气室16，在由第三反射镜反射，最后由第二光电探测器20探测。第一亥姆霍兹线圈11缠绕在第一原子气室12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15分别缠绕在第二原子气室16，产生交变磁场，并进一步实现磁共振，第三亥姆霍兹线圈22，缠绕在第三原子气室23外部，产生交变磁场，实现磁共振。三个亥姆霍兹线圈串联，通相同的频率的交变磁场。磁场的方向两两相互垂直。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5和第二光电探测器20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。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，可以调节经过第一偏振分束棱镜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6，可以调节经过第二偏振分束棱镜9后产生偏振方向垂直的透射光与反射光的光强比率。

通过分别调节第二四分之一波片10和第三四分之一波片17，第四四分之一波片21使得光束为相同圆偏振光。由于使用相互垂直光路设计，是空间三维方向均有光的传播，磁场在空间分布与三个方向不能同时成垂直关系，这就消除了原子磁力仪探测盲区的问题，实现全空间无死区探测。

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6、第四半波片18、均为中心波长为1083nm的半波片。第一偏振分束棱镜4、第二偏振分束棱镜9、第三偏振分束棱镜19、均为中心波长为1083nm的偏振分束棱镜。第一四分之一波片8、第二四分之一波片10、第三四分之一波片17、第四四分之一波片21、均为中心波长为1083nm的四分之一波片。第一原子气室12，第二原子气室16，第三原子气室23均为底面直径40mm，高65mm的圆柱体波璃气泡，内部充氦(⁴He)原子气体，气压0.4Torr。第一光电探测器5、第二光电探测器20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2所示，1083nm的激光光束通过第一半波片1、第一极化偏振片2、第二半波片3后入射至第一偏振分束棱镜4，转变为线偏振光透射，旋转第二半波片3可以改变透射光的强度。反射光用于激光强度的稳定，透射激光通过第三半波片6后入射至第二偏振分束棱镜9，由第二偏振分束棱镜9分解为偏振方向互相垂直的线偏振的透射光与反射光，旋转第三半波片6可以改变透射光和反射光的光强比例，旋转第三半波片，使光全部反射经过第二四分之一波片，转变为圆偏振光，入射到第一原子气室12，光与原子相互作用。透射激光通过第二反射镜13返回，经过第二四分之一波片10，转变为与入射偏振垂直的线偏振后依次通过光学器件9、8、7反射，经过第一四分之一波片8，，转变为偏振方向与入射垂直，经9反射，进入下一级；第四半波片18调节光的透射及反射，调节18使光完全透过第三偏振分束棱镜19，经过第四四分之一波片转变为圆偏振光，光与第三原子气室23内原子相互作用，再经第四反射镜24反射，经过第四四分之一波片21，变换为与入射偏振相垂直线偏振光，经过第三偏振分束棱镜反射，进入第二原子气室16，在由第三反射镜反射，最后由第二光电探测器20探测。第一亥姆霍兹线圈11缠绕在第一原子气室12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15分别缠绕在第二原子气室16，产生交变磁场，并进一步实现磁共振，第三亥姆霍兹线圈22，缠绕在第三原子气室23外部，产生交变磁场，实现磁共振。三个亥姆霍兹线圈串联，通相同的频率的交变磁场。磁场的方向两两相互垂直。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5和第二光电探测器20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。

Claims (10)

1.一种用于磁力仪的原子磁传感器，包括在一激光光路上依次布置的：

两个相互空间垂直的往返光学回路及一第三方向的原子吸收气室，所述光学回路分别具有一光轴，并各包括一原子吸收气室，用以将垂直其光轴方向传播的一束激光转换为沿其光轴方向传播的圆偏振光，并使所述圆偏振光对原子吸收气室内原子进行光泵浦后，从新沿垂直其光轴方向传播；

一光电探测器，一光信号通过所述三个相互空间垂直的往返光学回路及第三方向的原子气室汇聚至所述光电探测器，并转化为电信号。

2.如权利要求1所述的用于磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，还包括一激光发生装置，用以发出所述激光。

3.如权利要求1所述的用于磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述圆偏振光对原子吸收气室内原子进行光泵浦后，经过一偏振转换光路从新垂直其光轴方向传播，偏振转换光路包括一个四分之一玻片及一个反射镜，两次经过四分之一玻片的线偏振光，偏振方向相互垂直。

4.如权利要求1所述的用于磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述光泵原子磁传感器还包括在激光光路上依次布置的一无偏振影响的光强调节模块及一光电探测器。

5.如权利要求4所述的用于磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述无偏振影响的光强调节模块包括在激光光路上依次布置的一二分之一波片、一起偏器、一二分之一波片、一偏振分光棱镜。

6.如权利要求1所述的用于磁力仪的原子磁传感器，其特征在于，所述往返光学回路还各包括在激光光路上依次布置的一二分之一波片、一偏振分光棱镜、对四分之一波片、一对亥姆霍兹线圈、一对平面反射镜。

7.一种消除磁力仪探测盲区的方法，包括以下步骤：

1)从一激光发生装置发出的激光经过往返光学回路，形成X、Y、Z三个相互垂直方向的光泵浦，使空间磁场至少在一个方向上被探测；

2)往返光学回路将一束激光分成三个方向，探测光携带三个方向光信号汇聚于一个光电探测器上。

8.如权利要求7所述的消除磁力仪探测盲区的方法，其特征在于，步骤1)中所述激光经过一往返光学回路，将沿Z轴方向的光转换为沿X轴方向传播的光，通过泵浦X轴方向的吸收气室的原子后，往返传播的光从新回到Z轴方向，经又一往返光学回路又将沿Z轴的光转换为沿Y轴方向传播的光；形成了空间三个方向的光泵浦。

9.如权利要求7所述的消除磁力仪探测盲区的方法，其特征在于，步骤2)中所述往返光学回路所述往返光学回路包括一二分之一波片、一偏振分光棱镜、一对四分之一波片、一原子吸收气室、一对亥姆霍兹线圈、一对平面反射镜。

10.如权利要求9所述的消除磁力仪探测盲区的方法，其特征在于，所述二分之一玻片用以调节入射线偏振光的偏振方向，使激光能够通过偏振分光棱镜反射，进入原子吸收气室；所述四分之一玻片位于原子吸收气室与偏振分光棱镜之间，用以形成圆偏振光，实现对原子气室内原子进行光泵浦；所述平面反射镜位于原子吸收气室之后，用以对投射光进行反射，使反射光依次经过原子吸收气室及四分之一玻片，此时激光转换为线偏振且偏振方向垂直于入射时的线偏振光方向，在投射过偏振分光棱镜，经过偏振转换光路返回，形成沿最初入射反向的出射光；偏振转换光路包括一个四分之一玻片及一个反射镜，两次经过四分之一玻片的线偏振光，偏振方向相互垂直。