CN108279390B - 一种无盲区光泵磁力仪探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无盲区光泵磁力仪探头，通过采用单光源以及布置在两个互相垂直的平面内且轴对称的四个极化单元，克服Mz结构、Mx结构以及Bell‑bloom结构等类型光泵磁力仪所固有的盲区特性；对一般的Mz结构、Mx结构以及Bell‑bloom结构等类型光泵磁力仪，当探头与磁场之间的夹角在一定范围时，磁力仪获取不到信号，产生盲区，本发明的探头结构对任意方向的磁场均能正常工作，且采用单光源与凹面镜的设计，具有结构简单、体积较小的技术特点。

Description

一种无盲区光泵磁力仪探头
技术领域
本发明属于磁力计量技术领域，具体涉及一种无盲区光泵磁力仪探头。
背景技术
碱金属或氦原子能级在弱磁场中产生塞曼分裂，能级分裂大小与磁场大小成正比。在热平衡条件下，各塞曼子能级遵从波尔兹曼分布，各能级接近均匀分布。在光泵浦作用下，特定偏振状态的光被工作原子吸收，原子对光的吸收在满足能量守恒的同时还受到选择定则的约束，原子热平衡状态在光泵浦作用下被打破而产生一定的自旋取向，在光传播方向上形成宏观磁矩。宏观磁矩使原子在磁场中受到力矩作用，其围绕磁场作拉莫尔进动，进动频率与磁场成正比，可表示为ω＝γB，γ为旋磁比。利用射频线圈产生的射频频率与拉莫尔频率产生共振的方法，或者利用对激光波长、强度或偏振态的调制频率与拉莫尔频率产生共振的方法，通过信号检测系统获取拉莫尔频率，根据其与磁场的正比例关系，得到磁场大小。
以上是光泵原子磁力仪的基本原理。以磁场方向为z方向，磁场与光传播方向的夹角用θ表示，信号大小与θ角相关。对于Mz结构光泵原子磁力仪，信号大小与cos2θ成正比，当θ＝0°、180°时，信号最大，而当θ＝90°、270°时，信号为0，产生盲区。对于Mx结构光泵原子磁力仪，信号大小与sinθcosθ成正比，当θ＝45°、135°、225°、315°时，信号最大，而当θ＝0°、90°、180°、270°时，信号为0，产生盲区。对于Bell-bloom结构光泵原子磁力仪，信号大小与sin2θ成正比，当θ＝90°、270°时，信号最大，而当θ＝0°、180°时，信号为0，产生盲区。
在实际应用中，由于待测磁场未知，当磁场与仪器间的角度处于或接近盲区时，导致信号很小甚至没有信号，需要不断调节仪器方位。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种无盲区光泵磁力仪探头，能够消除传统磁力仪所固有的盲区特性，可以避免设备在工作工程中可能出现的信号丢失现象，具有工作稳定、结构简单、体积较小等优点。
一种光泵磁力仪探头，包括凹面镜(9)、原子光谱灯(3)、光电探测器(1)以及四个单元；
光电探测器(1)和原子光谱灯(3)均位于凹面镜(9)的主轴上，两者与凹面镜(9)的距离分别为v、u，u＜R，且满足1/u+1/v＝2/R，其中，R为凹面镜(9)的半径；原子光谱灯(3)位于凹面镜(9)的反射面与其圆心(2)之间的位置，光电探测器(1)位于原子光谱灯(3)的像点位置；
四个单元分别位于两个互相垂直的平面，且四个单元相对于凹面镜(9)的主轴对称；
每个单元从原子光谱灯(3)方向到光电探测器(1)的方向依次包括共轴布置的凹透镜(8)、偏振片(7)、1/4波片(6)、原子吸收室(5)以及凸透镜(4)；
其中，凸透镜(4)与光电探测器(1)的距离等于凸透镜(4)的焦距；凹透镜(8)与光电探测器(1)之间的距离等于凹透镜(8)的焦距。
较佳的，各单元的光轴与凹面镜(9)主轴的夹角为20°。
本发明具有如下有益效果：
本发明的光泵磁力仪探头，通过采用单光源以及布置在两个互相垂直的平面内且轴对称的四个极化单元，克服Mz结构、Mx结构以及Bell-bloom结构等类型光泵磁力仪所固有的盲区特性；对一般的Mz结构、Mx结构以及Bell-bloom结构等类型光泵磁力仪，当探头与磁场之间的夹角在一定范围时，磁力仪获取不到信号，产生盲区，本发明的探头结构对任意方向的磁场均能正常工作，且采用单光源与凹面镜的设计，具有结构简单、体积较小的技术特点。
附图说明
图1光泵磁力仪探头结构xy平面示意图；
图2光泵磁力仪探头结构xz平面示意图；
其中，1-光电探测器，2-凹面镜圆心，3-原子光谱灯，4-凸透镜，5-原子吸收室，6-1/4波片，7-偏振片，8-凹透镜，9-凹面。
具体实施方式
下面结合附图并举实施
本发明的光泵原子磁力仪探头，包括凹面9、原子光谱灯3、光电探测器1以及四个单元；光电探测器1和原子光谱灯3均位于凹面镜9的主轴上，两者与凹面镜9的距离分别为v、u，u＜R，且满足1/u+1/v＝2/R，其中，R为凹面镜9的半径；原子光谱灯3位于凹面镜9的反射面与其圆心2之间的位置，光电探测器1位于原子光谱灯3的像点位置。
如图1、2所示，四个单元分别位于两个互相垂直的平面：xy平面和xz平面上，且四个单元相对于凹面镜9的主轴对称。
每个单元从原子光谱灯3方向到光电探测器1的方向依次包括共轴布置的凹透镜8、偏振片7、1/4波片6、原子吸收室5以及凸透镜4；
由于遮挡，从原子光谱灯3发出的光线不能直接被光电探测器1检测，而是经过凹面镜9反射后经过单元后被光电探测器1检测，原子光谱灯3与光电探测器1需满足凹面镜成像条件1/u+1/v＝2/R，因此，光电探测器1可在像点处进行探测。从凹面镜9反射入各单元的光线会聚于光电探测器1，为了使光线在进入吸收室5之前变为平行光，凹透镜8满足条件S2＝f2其中，S2为凹透镜8与光电探测器1之间的距离，f2为凹透镜8的焦距)，平行光束经过偏振片7与1/4波片6变为特定圆偏振光，这种圆偏振光使原子吸收室5中的原子极化，产生宏观磁矩，宏观磁矩绕外磁场作拉莫尔进动(进动频率与磁场大小成正比)，采用射频场或者对入射光进行调制等与原子气体产生共振的方法，通过光电探测器1的检测即可以获取拉莫尔进动频率和磁场大小信号。为了使经过原子吸收室5后的光线被光电探测器1有效检测，凸透镜4满足条件S1＝f1其中，S1为凸透镜4与光电探测器1的距离，f1为凸透镜4的焦距。O1、O2、O3、O4分别为第一、二、三、四单元光路主轴线，其与凹面镜9成像主轴的夹角均为θ＝20°。在这种情况下，如果外界磁场与O1间的夹角(如Mx结构，夹角在0°附近)形成盲区，第一单元不能产生有效信号，但在其他单元可以产生有效信号，因而能够消除测试盲区，实现对各个方向上磁场的测量。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光泵磁力仪探头，其特征在于，包括凹面镜(9)、原子光谱灯(3)、光电探测器(1)以及四个单元；
光电探测器(1)和原子光谱灯(3)均位于凹面镜(9)的主轴上，两者与凹面镜(9)的距离分别为v、u，u＜R，且满足1/u+1/v＝2/R，其中，R为凹面镜(9)的半径；原子光谱灯(3)位于凹面镜(9)的反射面与其圆心(2)之间的位置，光电探测器(1)位于原子光谱灯(3)的像点位置；
四个单元分别位于两个互相垂直的平面，且四个单元相对于凹面镜(9)的主轴对称；
每个单元从原子光谱灯(3)方向到光电探测器(1)的方向依次包括共轴布置的凹透镜(8)、偏振片(7)、1/4波片(6)、原子吸收室(5)以及凸透镜(4)；
其中，凸透镜(4)与光电探测器(1)的距离等于凸透镜(4)的焦距；凹透镜(8)与光电探测器(1)之间的距离等于凹透镜(8)的焦距。
2.如权利要求1所述的一种光泵磁力仪探头，其特征在于，各单元的光轴与凹面镜(9)主轴的夹角为20°。
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