CN105301526A - 一种磁显微成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁显微成像方法及装置。常规的原子磁显微利用连续激光抽运、检测，磁场灵敏度高，广泛应用于各类高精度磁场测量领域。基于连续激光测量的原子磁显微仪的空间分辨率在毫米量级，而科学研究和生产生活中很多地方需要测量微米量级的磁场空间分布信息，即需要使用微米量级的磁显微仪。本发明利用高功率脉冲激光对原子进行抽运，再用低功率脉冲激光检测原子极化率，缩短了检测时间，部分消除了扩散对空间分辨率的影响。

Description

一种磁显微成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种磁显微成像方法及装置，属于原子磁强计技术领域。

背景技术

磁场梯度测量技术是一种测量磁场空间分布的技术，其主要技术指标为空间分辨率和磁场灵敏度。高空间分辨率的磁场梯度测量技术又称磁显微技术，广泛应用于生物显微、材料分析、电路分析、基础物理等领域。常见的磁显微技术有磁力显微镜技术(MFM)、超导量子干涉技术(SQUID)、原子磁强计技术(AM)。MFM技术具有非常高的空间分辨率，但磁场灵敏度低。SQUID技术空间分辨率和磁场灵敏度可调范围大，但需要工作在低温环境下以实现超导，这局限了该技术的应用范围。AM技术目前具有最高的磁场灵敏度，但是传统的原子磁强计空间分辨率不高，无法应用于微米量级的测量。

鉴于AM技术的最高磁场灵敏度，如何基于AM技术同时实现微米量级的空间分辨率已成为前沿技术研究的一个热点。针对这一难题，目前已有的解决思路有注入高压缓冲气体和减小气室体积两种方法，但由于无法彻底解决原子扩散问题，空间分辨率一直难以突破百微米量级。而科学研究和生产生活中很多地方需要更精细的磁场信息，即需要分辨率达到微米量级。目前，空间分辨率在100μm以下的原子磁强计尚未有相关报道。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种磁显微成像方法及装置，在双光束原子磁强计的基础上，使用双脉冲光束抽运检测方法提高空间分辨率，具有很高的检测精度和实用价值。

本发明的技术解决方案：一种磁显微成像方法，通过检测碱金属原子在磁场中的进动相位实现三轴磁场测量，沿y轴方向外加一个磁场B_y(y,z)，有两束激光同时作用在碱金属原子气室上，沿z轴方向有一束圆偏振光作为抽运光，沿x轴方向有一束线偏振光作为检测光。测量前先对对系统进行校准调整，在无抽运光作用下，打开检测光，分别得到图像采集器(4)和(9)的输出的光强分布图像I₁(y,z)和I₂(y,z)，调节图像采集器(4)和(9)位置，并使用线性变换矩阵A对I₁(y,z)进行线性调整，使得差分图像△I(y,z)＝AI₁(y,z)-I₂(y,z)的平均值接近0。

开始测量后，首先在有抽运光作用下，打开检测光，由于旋光效应，差分图像△I(y,z)不再为0，旋光角分布为：

$\mathrm{\φ}(y,z)=\frac{1}{2}arcsin\frac{\mathrm{\Δ}I(y,z)}{I_{11}(y,z)+I_2(y,z)}---\left(1\right)$

然后，根据所得旋光角分布，由旋光效应原理，计算极化率矢量分布：

$P_x(y,z)=2\mathrm{\φ}(y,z)/\[{\mathrm{lr}}_{e}cn(-f_{D1}\frac{v-v_{D1}}{{(v-v_{D1})}^2+{({\mathrm{\Δv}}_1/2)}^2}+\frac{1}{2}{f}_{D2}\frac{v-v_{D2}}{{(v-v_{D2})}^2+{({\mathrm{\Δv}}_2/2)}^2})\]---\left(2\right)$

其中，l为光程，r_e为电子经典半径，c为光速，n为气室内碱金属原子浓度，f_D1和f_D2分别为碱金属原子D1线和D2线的振荡强度，v、v_D1和v_D2分别为探测光、碱金属原子D1、D2线的对应频率；

最后，根据所得的极化率矢量分布，由原子磁强计基本原理，计算得到磁场空间分布：

$B_y(y,z)=arcsin\[P_x(y,z)e^{t_d/t_r}{P}_0\]/\left(2{\mathrm{\π\γt}}_d\right)---\left(3\right)$

其中，t_r为弛豫时间，t_d为检测光延迟，P₀为抽运结束后极化率模，γ为碱金属旋磁比。

所述抽运光为圆偏振脉冲光，波长为碱金属原子D1线跃迁频率相应波长，脉冲结束后，原子极化达到饱和。

所述检测光为线偏振脉冲光，波长为碱金属原子D2线或D1线跃迁频率相应波长。

所述抽运光与检测光正交，且在同一平面上。

所述检测光与抽运光脉冲周期相同，检测光延迟大于0且小于3毫秒。

一种磁显微成像装置，包括：抽运光激光器(1)、检测光激光器(2)、碱金属原子气室(3)、处理器(6)、图像采集器(4)和(9)、偏振分光棱镜(10)、偏振片(13)和(17)、半波片(14)、四分之一波片(16)、磁屏蔽装置(15)和磁场空间分布图像输出(8)；

抽运光激光器(1)发出的激光通过偏振片(17)和四分之一波片(16)得到的高功率圆偏振光，在脉冲时间内充分极化了碱金属原子气室(3)内的碱金属原子；抽运结束t_d时间后，检测光激光器(2)产生的激光通过偏振片(17)和半波片(14)后得到线偏振光。该线偏振光进入碱金属原子气室(3)，入射方向与抽运光方向垂直且穿过抽运光；当y轴方向存在磁场B_y(y,z)时，碱金属原子绕磁场进动的矢量在x轴上存在投影P_x(y,z)，这对检测光有旋光效应，会改变输出光的偏振方向，使得△I(y,z)发生变化，还需要在一个CCD曝光周期内接收多个检测光脉冲，降低△I(y,z)的热噪声，通过计算得到磁场空间分布B_y(y,z)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有的SQUID技术需要工作在超低温环境下实现超导。相比而言，本发明提出的方法可以工作在室温环境下，拥有更广泛的应用前景；

(2)现有的MFM技术磁场灵敏度低。相比而言，本发明提出的方法基于原子磁强计原理，磁场灵敏度更高，可以检测到更微弱的磁场变化；

(3)现有的原子磁强计无法消除原子扩散，空间分辨率差。相比而言，本发明应用了双脉冲抽运检测技术，通过缩短脉冲间隔，限制了原子的扩散时间，提升了空间分辨率。

附图说明

图1为本发明测量方法的原理示意图；

图2为本发明测量装置的光路和结构示意图；

图3为本发明测量方法的时序示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明提出的磁显微成像装置包括：894.5nm波长的抽运光激光器1和检测光激光器2，用于抽运和检测，抽运激光器脉冲功率为100W，检测激光器脉冲功率为1mW；碱金属原子气室3中充入铯蒸汽，两个图像采集器4和9使用CCD实现；处理器6为电脑台式机主机，通过以太网口接收CCD传回图像，处理图像的结果显示在台式机显示器上；磁屏蔽装置15为3层坡莫合金制作，地磁环境下气室内剩磁小于1000nT；抽运光激光器1发出的抽运脉冲依次通过偏振片17、四分之一波片16和碱金属原子气室3；检测光激光器2发出的检测脉冲依次通过偏振片13、半波片14和碱金属原子气室3，然后经由偏振分光棱镜10分成两束线偏振光，由图像采集器4和9接收。

如图2所示，利用本发明测量装置实现磁显微成像的具体实施步骤如下：

步骤一、图像采集器的对准

在无抽运光作用下，打开检测光，分别得到图像采集器4、9的输出的光强分布图像I₁(y,z)和I₂(y,z)，调节图像采集器4、9位置、半波片(14)的角度，使得输出图像I₁(y,z)和I₂(y,z)的光斑中心位置近似一致，并且大小、强度近似相等。使用图像处理算法对I₁(y,z)和I₂(y,z)的特征点进行匹配，进而计算得到I₁(y,z)到I₂(y,z)的线性转换矩阵A，将该矩阵作用在I₁(y,z)上，最终使得差分图像△I(y,z)＝AI₁(y,z)-I₂(y,z)的平均值接近于0。

步骤二、y轴磁场梯度测量

打开抽运光和检测光激光器。抽运光激光器1发出的抽运脉冲通过偏振片17和四分之一波片16得到的高功率圆偏振光作为抽运光，在脉冲时间内充分极化了碱金属原子气室3内的碱金属原子。抽运结束t_d时间后，检测光激光器2产生的检测脉冲通过偏振片13和半波片14后得到线偏振光作为检测光。检测光进入碱金属原子气室3，入射方向与抽运光方向垂直且穿过抽运光。检测光通过碱金属原子气室3后，进入偏振分光棱镜10分成两束线偏振光，分别由图像采集器4和9接收，得到I₁(y,z)和I₂(y,z)。当y轴方向存在磁场B_y(y,z)时，碱金属原子极化率矢量在x轴上存在投影P_x(y,z)，且会以拉莫尔频率2πγB_y(y,z)振荡衰减，如图3所示。P_x(y,z)对检测光有旋光效应，会改变输出光的偏振方向，从而使得偏振分光棱镜10的两条出射光光强发生变化，进而让△I(y,z)发生变化。此外，如图3所示，还需要在一个CCD曝光周期内接收多个检测光脉冲，降低△I(y,z)的热噪声。凭借△I(y,z)，由公式(1)(2)(3)计算得到磁场空间分布B_y(y,z)。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种磁显微成像方法，其特征在于：待测磁场沿y轴方向记为B_y(y,z)，该磁场在y-z平面内分布不均，有两束脉冲激光同时作用在碱金属原子气室(3)上，沿z轴方向有一束抽运光，沿x轴方向有一束检测光，极化的原子在主磁场作用下发生进动，对线偏振光存在旋光效应，通过偏振分光棱镜(10)后，两个图像采集器探测z轴和x轴方向，得到两个光强均会发生变化，调节两个图像采集器的位置并利用图像变形算法对齐这两个光强分布图，再进行差分计算得出旋光角的空间分布，进而计算出磁场空间分布B_y(y,z)。

2.根据权利要求1所述的磁显微成像方法，其特征在于：所述抽运光为圆偏振脉冲光，波长为碱金属原子D1线跃迁频率相应波长，脉冲结束后，原子极化达到饱和。

3.根据权利要求1所述的磁显微成像方法，其特征在于：所述检测光为线偏振脉冲光，波长为碱金属原子D2线或D1线跃迁频率相应波长。

4.根据权利要求1所述的磁显微成像方法，其特征在于：所述抽运光与检测光正交，且在同一平面上。

5.根据权利要求1所述的磁显微成像方法，其特征在于：所述检测光与抽运光脉冲周期相同，检测光延迟大于0且小于3毫秒。

6.根据权利要求1所述的磁显微成像方法，其特征在于：计算出磁场空间分布B_y(y,z)的具体实现方法如下：

(1)无抽运光作用下，打开检测光，分别得到两个图像采集器的输出的光强分布图像I₁(y,z)和I₂(y,z)，调节两个图像采集器，并用图像处理算法对I₁(y,z)进行变形得到I₁₁(y,z)，使得差分图像△I(y,z)＝I₁₁(y,z)-I₂(y,z)的平均值接近0；

(2)有抽运光作用下，打开检测光，由于旋光效应，差分图像△I(y,z)不再为0，旋光角分布为：

$\mathrm{\φ}(y,z)=\frac{1}{2}\arcsin \frac{\mathrm{\Δ}I(y,z)}{I_{11}(y,z)+I_2(y,z)}---\left(1\right)$

(3)根据所得旋光角分布，由旋光效应原理，计算极化率矢量分布：

$P_x(y,z)=2\mathrm{\φ}(y,z)/\[{\mathrm{lr}}_{e}cn(-f_{D1}\frac{v-v_{D1}}{{(v-v_{D1})}^2+{({\mathrm{\Δv}}_1/2)}^2}+\frac{1}{2}{f}_{D2}\frac{v-v_{D2}}{{(v-v_{D2})}^2+{({\mathrm{\Δv}}_2/2)}^2})\]---\left(2\right)$

其中，l为光程，r_e为电子经典半径，c为光速，n为气室内碱金属原子浓度，f_D1和f_D2分别为碱金属原子D1线和D2线的振荡强度，v、v_D1和v_D2分别为检测光、碱金属原子D1、D2线对应频率；

(4)根据所得的极化率矢量分布，由原子磁强计基本原理，得到磁场空间分布：

$B_y(y,z)=arcsin\[P_x(y,z)e^{t_d/t_r}/P_0\]/\left(2{\mathrm{\π\γt}}_d\right)---\left(3\right)$

其中，t_r为弛豫时间，t_d为检测光延迟，P₀为抽运结束后极化率模，γ为碱金属旋磁比。

7.一种磁显微成像装置，其特征在于包括：抽运光激光器(1)、检测光激光器(2)、碱金属原子气室(3)、处理器(6)、图像采集器(4)和(9)、偏振分光棱镜(10)、偏振片(13)和(17)、半波片(14)、四分之一波片(16)、磁屏蔽装置(15)和磁场空间分布图像输出(8)；

抽运光激光器(1)发出的激光通过偏振片(17)和四分之一波片(16)得到的高功率圆偏振光，在脉冲时间内充分极化了碱金属原子气室(3)内的碱金属原子；抽运结束t_d时间后，检测光激光器(2)产生的激光通过偏振片(17)和半波片(14)后得到线偏振光。该线偏振光进入碱金属原子气室(3)，入射方向与抽运光方向垂直且穿过抽运光；当y轴方向存在磁场B_y(y,z)时，碱金属原子绕磁场进动的矢量在x轴上存在投影P_x(y,z)，这对检测光有旋光效应，会改变输出光的偏振方向，使得△I(y,z)发生变化，还需要在一个CCD曝光周期内接收多个检测光脉冲，降低△I(y,z)的热噪声，通过计算得到磁场空间分布B_y(y,z)。