CN106597323A - 磁测探头及便携式铯原子激光光泵磁力仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光光抽运技术与铯原子磁光共振相结合，精确测量磁场的便携式铯原子激光光泵磁力仪。所述的磁力仪系统包括了一个由单模激光器作为泵浦光源的磁测探头、一个中继控制器，使用PC电脑从中继控制器读取即时测量数据。本发明测量系统可以实时准确测得同一位置的磁感应强度。
Description
技术领域
本发明属于精密测量领域，涉及一种磁测探头及一种便携式铯原子激光光泵磁力仪，用于获得磁感应强度的数值。
背景技术
便携式铯原子激光光泵磁力仪是一种把原子激光抽运和电子自旋共振原理相结合的新型测量装置。与传统磁力仪相比，铯原子激光光泵磁力仪的光源采用了激光。与灯泵浦相比，激光泵浦有二个明显的优点：一是功耗大大下降，容易小型化；而是激光功率更稳定，探测精度会更高。铯原子激光光泵磁力仪在实用化和小型化方向更具发展前途。
近代以来，磁场测量方法不断涌现，磁场测量精度不断提高，使得磁场测量技术的应用逐渐丰富，磁场测量尤其是磁场精密测量自然成为国内外研究的重点方向之一。我国对弱磁探测仪器的研究正在取得一些进步，但跟国外商品化高灵敏度的商用仪器仍然存在着一定的差距。自行研制新型实用的磁力仪就显得尤为重要。
作为自然界广泛存在的物理场-磁场，其测量技术在诸多领域起着重要的作用，其主要应用领域有四个方面：无损检测、疾病诊断、资源勘探及地震预测。无损检测是指通过探测待测物体附近的磁场分布，反映物体本身与磁场信息相关的特性(如缺陷大小，缺陷位置等)。疾病预防是指测量生物体某些部位产生的微弱磁场信号，如心磁(50pT左右)，脑磁(1pT左右)，并利用光学探头阵列对区域进行成像，可以判断该部位生理状态，以便于医学的诊断和疾病的预防。资源勘探是指通过对区域磁场等间隔取样测量，绘制磁力线图，可以判断是否有存在铁矿石，同时确定铁磁性矿石的具体分布情况。地震预测是指通过探测局部地磁场的异常对地震进行预测。正因为磁场的精确测量可以带来诸多应用，所以设计了便携式铯原子激光光泵磁力仪。
发明内容
本发明的目的以原子物理为基础，提供一种磁测探头及一种便携式铯原子激光光泵磁力仪。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种磁测探头，包括VCSEL单模激光器、准直镜、圆偏振器、铯原子气室、加热线圈、射频线圈和光电探测器(10)；所述VCSEL单模激光器、准直镜、圆偏振器、铯原子气室、光电探测器(10)依次布置于同一光路上，VCSEL单模激光器4的出射端面与准直镜5之间的距离等于准直镜5的焦距；所述铯原子气室的中心轴与光路具有0～15°夹角；所述加热线圈、射频线圈依次布置于铯原子气室外围，且中心轴与所述光路垂直。
一种便携式铯原子激光光泵磁力仪，包括磁测探头、中继控制器和输出模块；所述中继控制器包括DDS射频信号模块、电流控制模块和信号处理模块，其中，DDS射频信号模块与射频线圈相连，电流控制模块与加热线圈相连，DDS射频信号模块及光电探测器10分别与信号处理模块相连，信号处理模块最后与输出模块相连。
本发明的有益效果是：便携式铯原子激光光泵磁力仪相比于传统的灯泵磁力仪具有结构更紧凑等特点，便于携带以及野外测量。且通过双绞线加热的形式，实现了无磁加热。将来可广泛应用于矿物勘探、地震预测、疾病预防等领域；便携式铯原子激光光泵磁力仪相比于其它(例如磁通门)磁力仪灵敏度更高，可以实现更精密的测量。
附图说明
图1是磁测探头的构造图。
图2是磁力仪系统图。
图3是中继控制器的构造图。
图中，磁测探头1、中继控制器2、输出模块3、VCSEL单模激光器4、准直镜5、圆偏振器6、铯原子气室7、加热线圈8、射频线圈9、光电探测器10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，所述磁测探头1包括VCSEL单模激光器4、准直镜5、圆偏振器6、铯原子气室7、加热线圈8、射频线圈9、光电探测器10；
所述VCSEL单模激光器4、准直镜5、圆偏振器6、铯原子气室7、光电探测器10依次布置于同一光路上，VCSEL单模激光器4的出射端面与准直镜5之间的距离等于准直镜5的焦距，VCSEL单模激光器4射出的激光经准直镜5后得到准直光，经过圆偏振器6转变成圆偏振光。圆偏振光经过铯原子气室7后打在光电探测器10上。所述加热线圈8、射频线圈9依次布置于铯原子气室7外围，且其轴与光路垂直；根据光电探测器10接收的光信息即可计算得到磁场强度。
由于探头纵向尺寸很小，垂直入射到铯原子气室端面时发生的光反馈很容易影响到单模激光器的性能，所以铯原子气室7的中心轴设置成与光路呈0～15°夹角。
单模激光器选用的是VIXAR公司的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，这种激光器输出的激光线宽小于50MHZ，光功率稳定，对频率响应的灵敏度高，输出的波长范围为885-905nm，最大注入电流为2mA。根据激光器温度控制和注入激光器电流参数，即可实现其输出光波长的控制，本发明中，使激光器输出波长在894.605nm。
所述加热线圈8用于对铯原子气室7进行加热，使铯原子气室中的铯原子处在最佳状态。为了减小加热线圈对磁场的影响，本领域通常采用双绞线的方式和纯交流操作结合，通过双绞线进行加热，两条线的地位相等，所以电流通过双绞线的两支时，产生的磁场大小是相等的，但方向相反，所以可以抵消。如果交流电产生的交变磁场频率大于磁场的带宽，则交变磁场产生的信号幅度将大大降低。这样的交变磁场不会影响磁场测量。
射频线圈9用于产生射频场，让原子发生磁共振。
如图2所示，本发明还提供了一种便携式铯原子激光光泵磁力仪，包括磁测探头1、中继控制器2和输出模块3。所述输出模块、加热线圈8、射频线圈9、光电探测器10分别与所述中继控制器相连。所述中继控制器2包括DDS射频信号模块、电流控制模块和信号处理模块，其中，DDS射频信号模块与射频线圈9相连，以控制射频线圈9的射频频率大小；电流控制模块与加热线圈8相连，控制加热线圈8的输入电流大小，实现加热功率的调节。DDS射频信号模块及光电探测器10分别与信号处理模块相连，信号处理模块最后与输出端相连。
需要说明的是，本发明中的中继控制器2实现的控制与计算均为本领域的公知常识。
利用上述便携式铯原子激光光泵磁力仪装置测量磁场的步骤如下：
(1)将本发明便携式铯原子激光光泵磁力仪置于待测环境中，首先开启无磁加热模块一段时间，使铯原子处于良好的工作状态。激光控制模块使激光器输出的波长在894.605nm，此时激光器的输出频率对应铯原子D1线的F＝4→F′＝3的共振吸收频率，铯原子气室中的原子对光出现明显的吸收作用，从铯原子气室透射的光强减弱，光电探测器的输出也随之相应变化。
(2)当加在射频线圈上的频率满足ω＝γB时，处于极化状态的原子共振跃迁到相邻的磁子能级，原子重新吸收光子，光电探测器检测到的光减弱，此即磁共振吸收现象。
(3)中继控制器按照相应的计算方法，根据DDS输出的信号计算环境磁场大小，经过输出模块输出计算结果，即实现磁场大小的实时采集。
Claims (2)
1.一种磁测探头，其特征在于，包括VCSEL单模激光器(4)、准直镜(5)、圆偏振器(6)、铯原子气室(7)、加热线圈(8)、射频线圈(9)和光电探测器(10)；所述VCSEL单模激光器(4)、准直镜(5)、圆偏振器(6)、铯原子气室(7)、光电探测器(10)依次布置于同一光路上，VCSEL单模激光器4的出射端面与准直镜5之间的距离等于准直镜5的焦距；所述铯原子气室(7)的中心轴与光路具有0～15°夹角；所述加热线圈(8)、射频线圈(9)依次布置于铯原子气室(7)外围，且中心轴与所述光路垂直。
2.一种便携式铯原子激光光泵磁力仪，其特征在于，包括权利要求1所述的磁测探头(1)、中继控制器(2)和输出模块(3)；所述中继控制器(2)包括DDS射频信号模块、电流控制模块和信号处理模块，其中，DDS射频信号模块与射频线圈(9)相连，电流控制模块与加热线圈(8)相连，DDS射频信号模块及光电探测器(10)分别与信号处理模块相连，信号处理模块最后与输出模块(3)相连。
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