CN105866716B - 一种新型全光型激光光泵磁力仪及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型全光型激光光泵磁力仪及其实现方法。该方法是恒温下将弱磁场探头置于待测磁场中；分别调节两个激光器控制电路，使得两个激光频率分别与碱金属原子D1线和D2线能级跃迁共振；调节二分之一波片光轴、四分之一波片光轴和各自激光偏振的角度，使两束激光为偏振相位差相差180°的圆偏振；调节两个激光器、二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片，使得两束激光在弱磁场探头完全重合；光电转换器件对激光频率与碱金属原子D1线能级跃迁共振的激光进行探测，探测到的光强值经数据采集处理设备采集、信号处理，得到待测磁场的磁感应强度B。本发明的优点是操作简单、无电磁干扰、弱磁场探头实现全光。
Description
技术领域
本发明属于弱磁测量技术领域，涉及一种新型全光型激光光泵磁力仪及其实现方法，用于消除光泵磁力仪对外电磁干扰，解决传统光泵磁力仪中弱磁场探头无法密集布阵和在高压、有辐照环境下使用的问题。
背景技术
在现代科技中，微弱磁场的探测是一项非常重要的技术。目前，原子磁力仪作为主要的微弱磁场探测仪器之一，光泵磁力仪方案是原子磁力仪中灵敏度最高，实用性最好，也是实现产品化的几种高精度原子磁力仪方案之一。但由于传统的光泵磁力仪需要在弱磁场探头部分加入一个射频线圈使原子退极化，因此射频线圈产生的射频场会对周围的其他电子学期间产生干扰，同时两个弱磁场探头之间也会产生相互干扰而导致无法工作。除此之外，由于射频线圈属于电子学器件，因此无法在高压或是有射线辐照的环境下长时间工作。
发明内容
本发明的一个目的在于为了克服传统光泵磁力仪射频线圈带来的诸多问题，提供了一种新型全光型激光光泵磁力仪。
本发明的工作机理是：在待测磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，分裂情况与待测磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若激光频率与分裂的碱金属原子基态能级完全共振，则碱金属原子被激光泵浦极化，使得其对激光的吸收率下降，此时，利用另一束被调制的圆偏振激光同时与碱金属原子作用，使碱金属原子退极化，其对激光的吸收增强，透射减弱，通过测量调制频率与激光透射光强的关系可以得到待测磁场大小。利用调制激光代替传统的射频线圈，从而实现弱磁场探头的全光型设计。
全光型激光光泵磁力仪包括激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3；激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3通过激光光路连接；
所述的激光光源1由第一半导体激光器4、第一激光控制电路5、二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、第二半导体激光器9、第二激光控制电路10、二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13构成；
第一激光控制电路5控制第一半导体激光器4发射出激光，激光依次透过二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、弱磁场探头2、四分之一波片B13、第二偏振分束棱镜12，并在通过第二偏振分束棱镜12后与第二半导体激光器9发射出的激光分开，最终被光电转换器件20探测；
所述的第一激光控制电路5由第一电流源14、第一温度控制器15构成，其中第一电流源14与第一温度控制器15直接控制第一半导体激光器4；
第二激光控制电路10控制第二半导体激光器9发射出激光，激光依次透过二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13、弱磁场探头2、四分之一波片A8、第一偏振分束棱镜7，并在通过第一偏振分束棱镜7后与第一半导体激光器4发射出的激光分开，最终不连接任何器件；
所述的第二激光控制电路10由第二电流源16、第二温度控制器17、信号发生器18构成，其中第二电流源16与第二温度控制器17直接控制第二半导体激光器10，信号发生器18的输出信号经过第二电流源16后，将电压信号转变成电流信号并输出给第二半导体激光器9；
第一半导体激光器4发射出激光与第二半导体激光器9发射出激光在弱磁场探头2中完全重合。
所述的弱磁场探头2由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成；
所述的信号探测器3由光电转换器件20、数据采集处理设备21构成；
光电转换器件20采集透过第二偏振分束棱镜12的第一半导体激光器4发射出激光的光信号，将其转化成电信号并传输给数据采集处理设备21处理。
本发明的另一个目的是提供上述设备的实现方法。
该方法通过被调制的激光与原子相互作用，替代传统光泵磁力仪射频线圈的作用，解决了传统光泵磁力仪对外存在电磁干扰，无法密集布阵，使用环境受限等问题。
本发明对全光型激光光泵磁力仪的调节方法具体是：
步骤(1).保持恒温状态下，将弱磁场探头2置于待测磁场中；
步骤(2).调节全光型激光光泵磁力仪中激光光源1：
调节第一激光控制电路5中第一电流源14、第一温度控制器15，保持第一半导体激光器4发射出的激光频率稳定，且使得第一半导体激光器4发射出的激光频率与弱磁场探头2中碱金属原子D1线能级跃迁共振；将二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8均与第一半导体激光器4发射出的激光光束方向垂直设置；调节二分之一波片A6，使得第一半导体激光器4发射出的激光经过第一偏振分束棱镜7时透射光最强，反射光最弱；调节四分之一波片A8的光轴方向与第一半导体激光器4发射出的激光偏振方向成45°夹角，使得第一半导体激光器4发射出的激光变成圆偏振光；调节第二激光控制电路10中第二电流源16、第二温度控制器17、信号发生器18，使得第二半导体激光器9发射出的激光频率能顺利在与弱磁场探头中碱金属原子D2线的能级共振频率与远离其共振频率这两种状态下以切换频率f进行切换；将二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13均与第二半导体激光器9发射出的激光光束方向垂直设置；调节二分之一波片B11，使得第二半导体激光器9发射出的激光经过第二偏振分束棱镜12时反射光最强，透射光最弱；调节四分之一波片B13的光轴方向与第二半导体激光器9发射出的激光偏振方向成45°夹角，并与四分之一波长A8的光轴方向成90°夹角，使得第二半导体激光器9发射出的激光变成与第一半导体激光器4发射出的激光偏振相位差相差180°的圆偏振光；调节第一半导体激光器4、二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、第二半导体激光器9、二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13相对位置，使得：第一半导体激光器4发出的激光依次经过二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、弱磁场探头2、四分之一波片B13、第二偏振分束棱镜12；第二半导体激光器9发出的激光依次经过二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13、弱磁场探头2、四分之一波片A8、第一偏振分束棱镜7；第一半导体激光器4发出的激光与第二半导体激光器9发出的激光在弱磁场探头2中处于完全重合状态；
步骤(3).调节全光型激光光泵磁力仪中的信号探测器3：
光电转换器件20对第一半导体激光器4发射出的激光经过二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、弱磁场探头2、四分之一波片B13、第二偏振分束棱镜12后的光强进行探测，其光强值Y与第二半导体激光器9发射出的激光频率的切换频率f关系如公式(1)：
其中，Y0为半导体激光器1发射的激光不经过弱磁场探头2时，光电转换器件探测到的光强值(是在撤除弱磁场探头2后，第一半导体激光器4发射的激光经二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、四分之一波片B13、第二偏振分束棱镜12后测得)，是一个定值；π是圆周率；k为比例系数，是定值；ν为信号线宽，注意：对于恒定温度下的包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡，ν也为定值；f0为由待测磁场引起的碱金属原子的能级分裂，其关系如公式(2)：
f0＝γ·B (2)；
其中，γ为定值；
经数据采集处理设备21采集、信号处理，根据公式(1)，求解光强值Y为最小值时f对应的值f0，最后根据公式(2)得到待测磁场的磁感应强度B。
第一半导体激光器4和第二半导体激光器9发出的激光波长均在二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13的波长范围内。
传统的光泵磁力仪采用在弱磁场探头2处增加射频线圈的方式，实现原子的退极化过程，在退极化过程中，射频线圈产生的射频场将对外产生电磁干扰。本发明根据交流斯塔克效应，利用被调制的圆偏振光与原子相互作用，实现了原来射频场使原子退极化的相同的效果，同时，避免了由射频场带来的不利影响。
本发明的优点是：一、操作简单，仅需操作全光型激光光泵磁力仪中的激光光源、弱磁场探头和信号探测器三个部分；二、无电磁干扰，多个光泵磁力仪可密集布阵，而不相互干扰；三、弱磁场探头实现全光，可用于高压或有辐照的环境。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的详细流程示意图；
图3为本发明激光控制电路1的流程示意图；
图4为本发明激光控制电路2的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的分析。
在待测磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，分裂情况与待测磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若激光频率与分裂的碱金属原子基态能级完全共振，则碱金属原子被激光泵浦极化，使得其对激光的吸收率下降，此时，利用另一束被调制的圆偏振激光同时与碱金属原子作用，使碱金属原子退极化，其对激光的吸收增强，透射减弱，通过测量调制频率与激光透射光强的关系可以得到待测磁场大小。利用调制激光代替传统的射频线圈，从而实现弱磁场探头的全光型设计。
如图1所示，全光型激光光泵磁力仪包括激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3；激光光源1、弱磁场探头2、信号探测器3通过激光光路连接；
如图2所示，所述的激光光源1由第一半导体激光器4、第一激光控制电路5、二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、第二半导体激光器9、第二激光控制电路10、二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13构成；
第一激光控制电路5控制第一半导体激光器4发射出激光，激光依次透过二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、弱磁场探头2、四分之一波片B13、第二偏振分束棱镜12，并在通过第二偏振分束棱镜12后与第二半导体激光器9发射出的激光分开，最终被光电转换器件20探测；
第二激光控制电路10控制第二半导体激光器9发射出激光，激光依次透过二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13、弱磁场探头2、四分之一波片A8、第一偏振分束棱镜7，并在通过第一偏振分束棱镜7后与第一半导体激光器4发射出的激光分开，最终不连接任何器件；
第一半导体激光器4发射出激光与第二半导体激光器9发射出激光在弱磁场探头2中完全重合。
如图3所示，所述的第一激光控制电路5由第一电流源14、第一温度控制器15构成，其中第一电流源14与第一温度控制器15直接控制第一半导体激光器4。
如图4所示，所述的第二激光控制电路10由第二电流源16、第二温度控制器17、信号发生器18构成，其中第二电流源16与第二温度控制器17直接控制第二半导体激光器10，信号发生器18的输出信号经过第二电流源16后，将电压信号转变成电流信号并输出给第二半导体激光器9。
所述的弱磁场探头2由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成；
所述的信号探测器3由光电转换器件20、数据采集处理设备21构成；
光电转换器件20采集透过第二偏振分束棱镜12的第一半导体激光器4发射出激光的光信号，将其转化成电信号并传输给数据采集处理设备21处理。
具体调节全光型激光光泵磁力仪的实现方法是：
实施例中弱磁场探头2碱金属原子采用铯-133原子，铯原子饱和蒸汽的玻璃泡尺寸为Φ15×20mm，将其周围均匀加热且恒温至45℃，并置于待测磁场中。在使用过程中，先开启第一激光控制电路5，其中第一电流源14使用美国Agilent公司生产的型号为B2912A的电流源，第一温度控制器15使用美国Thorlab公司生产的型号为TED200C的温度控制器，调节第一半导体激光器4的电流为1.3mA，温度为60℃，使第一半导体激光器4的波长稳定至894.6nm；将适用波长为894.6nm的二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8均垂直置于第一半导体激光器4发射出的激光光束方向，调节二分之一波片6的相对角度至0°，使得第一半导体激光器4发射出的激光经过第一偏振分束棱镜7时透射光最强，反射光最弱；调节四分之一波片A8的相对角度至45°，使得第一半导体激光器4发射出的激光变成圆偏振光；再开启第二激光控制电路10，其中第二电流源16使用美国Agilent公司生产的型号为B2912A的电流源，第二温度控制器17使用美国Thorlab公司生产的型号为TED200C的温度控制器，信号发生器18使用中国普源公司生产的型号为DG4162的信号发生器，调节第二半导体激光器9的电流为1.2mA，温度为55℃，使第二半导体激光器9的波长稳定至852nm；将适用波长为852nm的二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13均垂直置于第二半导体激光器9发射出的激光光束方向；调节二分之一波片B11的相对角度至90°，使得第二半导体激光器9发射出的激光经过第二偏振分束棱镜12时反射光最强，透射光最弱；调节四分之一波片B13的相对角度至135°，使得第二半导体激光器9发射出的激光变成与第一半导体激光器发射出的激光偏振相位差相差180°的圆偏振光；调节第一半导体激光器4、二分之一波片A6、第一偏振分束棱镜7、四分之一波片A8、第二半导体激光器9、二分之一波片B11、第二偏振分束棱镜12、四分之一波片B13相对位置，第一半导体激光器4发出的激光与第二半导体激光器9发出的激光在铯原子饱和蒸汽的玻璃泡的位置处于完全重合状态；使用一个高灵敏度硅光电二极管20对透过第二偏振分束棱镜12的第一半导体激光器4发射出激光的光信号进行采集，并输入给数据采集处理设备21中相放大器进行相敏检测，并将锁相放大器的输出信号输入计算机进行采集、处理和最终输出。
上述提到的高灵敏度硅光电二极管20为光电转换器件20。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种新型全光型激光光泵磁力仪，包括激光光源(1)、弱磁场探头(2)、信号探测器(3)；其中信号探测器(3)包括光电转换器件(20)、数据采集处理设备(21)；其特征在于：
所述的激光光源(1)包括第一半导体激光器(4)、第一激光控制电路(5)、二分之一波片A(6)、第一偏振分束棱镜(7)、四分之一波片A(8)、第二半导体激光器(9)、第二激光控制电路(10)、二分之一波片B(11)、第二偏振分束棱镜(12)、四分之一波片B(13)；第一激光控制电路(5)控制第一半导体激光器(4)发射出激光，激光依次透过二分之一波片A(6)、第一偏振分束棱镜(7)、四分之一波片A(8)、弱磁场探头(2)、四分之一波片B(13)、第二偏振分束棱镜(12)后与第二半导体激光器(9)发射出的激光分开，最终被光电转换器件(20)探测；光电转换器件(20)采集透过第二偏振分束棱镜(12)的第一半导体激光器(4)发射出激光的光信号，将其转化成电信号并传输给数据采集处理设备(21)处理；第二激光控制电路(10)控制第二半导体激光器(9)发射出激光，激光依次透过二分之一波片B(11)、第二偏振分束棱镜(12)、四分之一波片B(13)、弱磁场探头(2)、四分之一波片A(8)、第一偏振分束棱镜(7)后与第一半导体激光器(4)发射出的激光分开，最终不连接任何器件；
第一半导体激光器(4)发射出激光与第二半导体激光器(9)发射出激光在弱磁场探头(2)中完全重合。
2.如权利要求1所述的一种新型全光型激光光泵磁力仪的实现方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)、保持恒温状态下，将弱磁场探头(2)置于待测磁场中；
步骤(2)、调节全光型激光光泵磁力仪中激光光源(1)：
2.1调节第一激光控制电路(5)中第一电流源(14)、第一温度控制器(15)，保持第一半导体激光器(4)发射出的激光频率稳定，且保持第一半导体激光器(4)发射出的激光频率与弱磁场探头(2)中碱金属原子D1线的能级跃迁共振；调节二分之一波片A(6)，使得第一半导体激光器(4)发射出的激光经过第一偏振分束棱镜(7)时透射光最强，反射光最弱；调节四分之一波片A(8)的光轴方向与第一半导体激光器(4)发射出的激光偏振方向成45°夹角，使得第一半导体激光器(4)发射出的激光变成圆偏振光；
2.2调节第二激光控制电路(10)中第二电流源(16)、第二温度控制器(17)、信号发生器，使得第二半导体激光器(9)发射出的激光频率能顺利在与弱磁场探头(2)中碱金属原子D2线的能级共振频率与远离其共振频率这两种状态下以切换频率f进行切换；调节二分之一波片B(11)，使得第二半导体激光器(9)发射出的激光经过第二偏振分束棱镜(12)时反射光最强，透射光最弱；调节四分之一波片B(13)的光轴方向与第二半导体激光器(9)发射出的激光偏振方向成45°夹角，并与四分之一波片A(8)的光轴方向成90°夹角，使得第二半导体激光器(9)发射出的激光变成与第一半导体激光器(4)发射出的激光偏振相位差相差180°的圆偏振光；
2.3调节第一半导体激光器(4)、二分之一波片A(6)、第一偏振分束棱镜(7)、四分之一波片A(8)、第二半导体激光器(9)、二分之一波片B(11)、第二偏振分束棱镜(12)、四分之一波片B(13)相对位置，使得第一半导体激光器(4)发出的激光与第二半导体激光器(9)发出的激光在弱磁场探头中处于完全重合状态；
步骤(3)、调节全光型激光光泵磁力仪中的信号探测器(3)：
光电转换器件(20)对第一半导体激光器(4)发射出的激光经过弱磁场探头(2)后的光强进行探测，其光强值Y与第二半导体激光器发射出的激光频率的切换频率f关系如公式(1)：
其中，Y0为半导体激光器1发射的激光不经过弱磁场探头时，光电转换器件探测到的光强值；k为比例系数；ν为信号线宽；f0为由待测磁场引起的碱金属原子的能级分裂，其关系如公式(2)：
f0＝γ·B (2)；
其中，γ为定值；
经数据采集处理设备(21)采集、信号处理，根据公式(1)，求解光强值Y为最小值时f对应的值f0，最后根据公式(2)得到待测磁场的磁感应强度B。
3.如权利要求1所述的一种新型全光型激光光泵磁力仪，其特征在于所述的弱磁场探头(2)主要由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成。
4.如权利要求1所述的一种新型全光型激光光泵磁力仪，其特征在于第一半导体激光器(4)和第二半导体激光器(9)发出的激光波长均在二分之一波片A(6)、第一偏振分束棱镜(7)、四分之一波片A(8)、二分之一波片B(11)、第二偏振分束棱镜(12)、四分之一波片B(13)的波长范围内。
5.如权利要求1所述的一种新型全光型激光光泵磁力仪，其特征在于将二分之一波片A(6)、第一偏振分束棱镜(7)、四分之一波片A(8)均与第一半导体激光器(4)发射出的激光光束方向垂直设置。
6.如权利要求1所述的一种新型全光型激光光泵磁力仪，其特征在于将二分之一波片B(11)、第二偏振分束棱镜(12)、四分之一波片B(13)均于第二半导体激光器(9)发射出的激光光束方向垂直设置。
7.如权利要求1所述的一种新型全光型激光光泵磁力仪，其特征在于所述的第一激光控制电路(5)包括第一电流源(14)、第一温度控制器(15)，其中第一电流源(14)与第一温度控制器(15)直接控制第一半导体激光器(4)。
8.如权利要求1所述的一种新型全光型激光光泵磁力仪，其特征在于第二激光控制电路(10)由第二电流源(16)、第二温度控制器(17)、信号发生器(18)构成，其中第二电流源(16)与第二温度控制器(17)直接控制第二半导体激光器(10)，信号发生器(18)的输出信号经过第二电流源(16)后，将电压信号转变成电流信号并输出给第二半导体激光器(9)。
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