CN108957363A - 基于多信号融合的弱磁场检测装置 - Google Patents

基于多信号融合的弱磁场检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多信号融合的弱磁场检测装置，圆偏振抽运光从外部穿入碱金属原子气室，线偏振探测光从外部穿过高反射镜上的圆孔进入碱金属原子气室，线偏振探测光经高反射镜和半透半反镜片产生多次反射，一部分透射后经过检偏器进入光电二极管阵列，由光电二极管阵列中的光电二极管分别接收不同状态的线偏振探测光的信号；信号处理电路采集光电二极管阵列上传输的多个光信号，并对每一路信号进行分析、对比，从而得到线偏振探测光经历每一次反射后的变化信息。本发明具有结构紧凑、光与原子作用距离长、可实现微型化、便于构建、检测灵敏度高、检测信息量大、空间分辨率高、灵活性好、体积小、可实现小型化集成化、功能易于扩充、应用范围广等特点。

Description

基于多信号融合的弱磁场检测装置
技术领域
本发明涉及一种弱磁场检测装置，主要用于地磁勘探、磁导航、无损检测、防伪技术、加密解密、刑侦、脑科学、心肺科学、生物磁学、生命医疗、生物技术、健康检测、疾病诊疗、人机交互、智能控制、行为组织、心理学、智慧感知等领域中的磁传感检测装置。
背景技术
磁传感检测装置指的是各种用于测量磁场的传感器，也可以称为磁力仪、高斯计，在国际单位制中描述磁场的物理量是磁感应强度，单位是特斯拉或者高斯。磁感应强度是矢量，具有大小和方向特征，只测量磁感应强度大小的磁强计称为标量磁强计，而能够测量特定方向磁场大小的磁强计称为矢量磁强计，常见的磁力传感器有磁通门磁强计、磁阻磁强计、质子旋进磁强计、碱金属光泵磁强计等。磁力传感器在磁物探、磁导航、无损检测、防伪技术、加密解密、刑侦、脑科学、心肺科学、生物磁学、生命医疗、生物技术、健康检测、疾病诊疗、人机交互、智能控制、行为组织、心理学、智慧感知等领域应用广泛，随着改革领域的发展，对磁力传感器性能要求也急剧提高，目前在灵敏度上表现最好的磁力传感器为光学原子磁力传感器，在应用上对灵敏度要求很高的有磁物探、磁导航、脑科学等领域，所以原子磁力传感器构建至关重要，检测灵敏度的提高是最终目标。
现有技术中存在以下不足，光学原子磁力检测装置通常探测光是直接经过碱金属原子气室，没有多次反射的过程，所以探测光与极化的碱金属原子作用光程较短，检测到的原子状态变化信息较少，线偏振探测光的偏振面偏转角小，难以检测；并且，由于是直接检测一次通过碱金属原子气室的探测光，得到的检测信号包含的信息量少。本发明涉及多次反射，增长了探测光在原子气室中的光程，并利用半透半反镜片将每一次反射与碱金属原子作用后的探测光透射出去，以光电二极管阵列检测每一次探测光反射后的光信息变化。这样的设计不仅能够很大程度地提高探测光偏振面的偏转角度，降低检测难度、提高检测灵敏度及分辨率，而且还能检测到线偏振探测光与碱金属原子每一次作用后的振幅、相位、偏振态等光学信息的变化情况，有助于进一步研究碱金属原子与光相互作用的量子机理及其过程，为研究量子光学、量子力学、原子物理等提供新的技术手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多信号融合的弱磁场检测装置，具有结构紧凑、光与原子作用距离长、便于构建、灵敏度高、检测信息量大、空间分辨率高、灵活性好、功能易于扩充、应用范围广等特点。
本发明的技术方案是：一种基于多信号融合的弱磁场检测装置，包括多层磁屏蔽罩、线偏振探测光、高反射镜上的圆孔、碱金属原子气室、高反射镜片、碱金属原子、圆偏振抽运光、半透半反镜片、检偏器、信号处理电路、光电二极管阵列，所述碱金属原子气室置于多层磁屏蔽罩内，所述碱金属原子气室内设有高反射镜片和半透半反镜片，高反射镜片与半透半反镜片之间的空腔中具有碱金属原子，多层磁屏蔽罩下面放置检偏器和信号处理电路，信号处理电路上面设有光电二极管阵列；所述圆偏振抽运光从外部穿入碱金属原子气室，所述线偏振探测光从外部穿过高反射镜上的圆孔进入碱金属原子气室，在圆偏振抽运光的不断抽运下碱金属原子产生极化，并在外部磁场的作用下产生的磁矩，磁矩使碱金属原子的角动量与线偏振探测光的光子相互作用使线偏振探测光的偏振面发生偏转，该偏转角度与外部磁场、线偏振探测光在碱金属原子气室中的光程成比例；偏转的线偏振探测光经高反射镜和半透半反镜片产生多次反射，在半透半反镜片上的一部分光被反射回原子气室，另一部分透射后经过检偏器进入光电二极管阵列上对应的光电二极管，由光电二极管阵列中的各个光电二极管分别接收不同偏振面偏转角、振幅值、相位信息的线偏振探测光的状态信号；所述信号处理电路采集光电二极管阵列上传输的多个光信号，并对每一路信号进行分析、对比，从而得到线偏振探测光经历每一次反射后的变化信息，并分别处理每一次反射后的光信息变化同，可以更好、更准确地研究碱金属原子在外磁场作用下的量子信息，研究探测光在碱金属原子与外磁场共同作用下的偏振态及相位信息的变化，从而提高弱磁场的检测灵敏度、分辨率。
所述的多层磁屏蔽罩为超磁导率的坡莫合金材料，其成分为78％Ni-Fe合金中加入铌、钽、钼、铬、钛、铝、锰元素，其硬度Hv>200。
所述的线偏振探测光和圆偏振抽运光为与碱金属原子塞曼分裂谱线对应波长的激光，钾原子对应激光波长为770.1nm、铷原子对应激光波长为794.2nm、铯原子对应激光波长为894.5nm。
所述的碱金属原子气室、高反射镜片和半透半反镜片的材料均为耐高温、热膨胀系数小，光学透过率高的熔融石英玻璃JGS2。
所述的碱金属原子为钾、铷、铯中的一种或该三种碱金属原子的任一组合。
所述高反射镜片和半透半反镜片通过激光透射焊接与碱金属原子气室的内壁严密粘合。
所述的高反射镜片和半透半反镜片为曲率、尺寸均相同的反射镜，且曲率和尺寸与线偏振探测光多次反射要求相适配，反射镜为球面、非球面、自由曲面、柱面反射镜中的一种。
所述的高反射镜片的反射面镀有高反射率膜，高反射率膜为近红外介质膜。
所述的检偏器为石英材料制成的针对线偏振探测光的波长的波片，检偏器用来判断探测光的偏振态变化。
所述的信号处理电路为根据光电二极管阵列的要求来完成电荷/电压转换、电流/电压转换、频率/电压转换，并对变换后的电信号实现放大、有源滤波或运算的集成电路，通过所述集成电路运算结果最终得到光信号变化值与磁场强度变化值之间的对应关系。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用多次反射，增长了探测光在原子气室中的光程，并利用半透半反镜片将每一次反射与碱金属原子作用后的探测光透射出去，以光电二极管阵列检测每一次探测光反射后的光信息变化。这样的设计不仅能够很大程度地提高探测光偏振面的偏转角度，降低检测难度、提高检测灵敏度及分辨率，而且还能检测到线偏振探测光与碱金属原子每一次作用后的振幅、相位、偏振态等光学信息的变化情况，有助于进一步研究碱金属原子与光相互作用的量子机理及其过程，为研究量子光学、量子力学、原子物理等提供新的技术手段。
附图说明
图1为本发明的基于多信号融合的弱磁场检测装置的结构示意图。
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，本发明的基于多信号融合的弱磁场检测装置，包括多层磁屏蔽罩1、线偏振探测光2、高反射镜上的圆孔3、碱金属原子气室4、高反射镜片5、碱金属原子6、圆偏振抽运光7、半透半反镜片8、检偏器9、信号处理电路10、光电二极管阵列11，所述碱金属原子气室4置于多层磁屏蔽罩1内，所述碱金属原子气室4内设有高反射镜片5和半透半反镜片8，高反射镜片5与半透半反镜片8之间的空腔中具有碱金属原子6，多层磁屏蔽罩1下面放置检偏器9和信号处理电路10，信号处理电路10上面设有光电二极管阵列11。
激光功率0mw-100mw范围内可调节的特定波长770.1nm、794.2nm、894.5nm，线宽小于0.3nm的圆偏振抽运光7从外部穿过多层硬坡莫合金超磁导材料制成的磁屏蔽装置，线偏振探测光2经过石英玻璃材料制成的镀近红外介质膜的高反射镜5上的圆孔3进入碱金属原子气室4，碱金属原子气室经过200℃以上高温持续进行无磁加热，得到密度很高的碱金属原子6，在圆偏振抽运光7的不断抽运下碱金属原子产生极化，极化后的原子在外部磁场的作用下产生磁矩M，磁矩M会使原子的角动量与线偏振探测光2的光子相互作用使线偏振探测光的偏振面发生偏转，该偏转角度Δθ与外部磁场B、探测光在碱金属原子气室中的光程L等成比例；两片设计好的反射镜5和8使得线偏振探测光2产生多次反射，每一次在半透半反镜片8上都有一部分光被反射回原子气室，另一部分透射后进入光电二极管阵列11上对应的光电二极管，并且每一个光电二极管上接收到的线偏振探测光2的状态都是不同的，偏振面偏转角变化值Δθn、振幅值变化值ΔAn、相位变化值等均不相同。信号处理电路10采集光电二极管阵列11上传输的多个光信号，并对每一路光信号的偏振面偏转角变化值Δθn、振幅值变化值ΔAn、相位变化值进行分析、对比，从而得到线偏振探测光2经历每一次反射后的变化信息，分别处理每一次反射后的光信息变化可以更好、更准确地研究碱金属原子在外磁场作用下的量子信息，研究探测光在碱金属原子与外磁场共同作用下的偏振态及相位信息的变化，从而提高弱磁场的检测灵敏度、分辨率等。
多层磁屏蔽罩1为超磁导率的坡莫合金材料，其成分为78％Ni-Fe合金中加入铌、钽、钼、铬、钛、铝、锰等元素，属于高硬度高磁导率的坡莫合金，其硬度Hv>200，称为硬坡莫合金。这类合金适用于做变压器、扼流圈、磁头、磁屏蔽等。
线偏振探测光2和圆偏振抽运光7为与碱金属原子塞曼分裂谱线对应波长的激光，钾原子对应激光波长为770.1nm、铷原子对应激光波长为794.2nm、铯原子对应激光波长为894.5nm。
高反射镜片上的圆孔3为合理设计过的，位置与尺寸是用激光打孔的方式来确定的圆形通光孔，用以保证能探测光从外部进入原子气室。
碱金属原子气室4、高反射镜片5和半透半反镜片8所使用材料均为为耐高温、热膨胀系数小，光学透过率高的熔融石英玻璃JGS2。
碱金属原子6为钾K、铷(Rb)、铯(Cs)中的一种或该三种碱金属原子的任一组合，并且碱金属原子气室中还充有惰性气体氮气、氦气等作为缓冲气体，用以减缓碱金属原子的自旋弛豫交换碰撞。
高反射镜片5和半透半反镜片8利用激光透射焊接技术使之与碱金属原子气室4的内壁严密粘合，并且不影响泵浦光和探测光的传播路线与光学特性。激光透射焊接是一种非接触式焊接方式，具有免于填料，热变形小，外形美观，精细度高，速度快等优点。
高反射镜片5和半透半反镜片8为曲率、尺寸均相同的反射镜，是经过合理设计、镀有不同反射率高的反射膜、曲率和尺寸满足线偏振探测光2多次反射要求的特殊镜片，可以是球面、非球面、自由曲面和柱面反射镜中的一种。
高反射镜片5的反射面镀的高反射率膜为近红外介质膜，镀膜时使用一块圆片遮挡形成具有一个圆孔3的近红外介质膜；高反射镜片5上的圆孔3的作用是保证线偏振探测光2能进入充满高纯度碱金属原子4的蒸汽室经多次反射后经半透半反镜片透射一部分出射得到在原子气室中多次反射后的线偏振探测光。
检偏器9为石英材料制成的针对线偏振探测光2的波长的波片，检偏器9可以用来判断探测光的偏振态变化。
信号处理电路10为专用集成电路，根据光电二极管阵列11的要求来完成电荷/电压转换、电流/电压转换、频率/电压转换，并对变换后的电信号实现放大、有源滤波或运算等，并根据运算结果最终得到光信号变化值与磁场强度变化值之间的对应关系。
本发明利用多次反射，增长了探测光在原子气室中的光程，并利用半透半反镜片将每一次反射与碱金属原子作用后的探测光透射出去，以光电二极管阵列检测每一次探测光反射后的光信息变化。这样的设计不仅能够很大程度地提高探测光偏振面的偏转角度，降低检测难度、提高检测灵敏度及分辨率，而且还能检测到线偏振探测光与碱金属原子每一次作用后的振幅、相位、偏振态等光学信息的变化情况，有助于进一步研究碱金属原子与光相互作用的量子机理及其过程，为研究量子光学、量子力学、原子物理等提供新的技术手段。

Claims (10)

1.一种基于多信号融合的弱磁场检测装置，包括多层磁屏蔽罩（1）、线偏振探测光（2）、高反射镜上的圆孔（3）、碱金属原子气室（4）、高反射镜片（5）、碱金属原子（6）、圆偏振抽运光（7）、半透半反镜片（8）、检偏器（9）、信号处理电路（10）、光电二极管阵列（11），其特征在于：所述碱金属原子气室（4）置于多层磁屏蔽罩（1）内，所述碱金属原子气室（4）内设有高反射镜片（5）和半透半反镜片（8），高反射镜片（5）与半透半反镜片（8）之间的空腔中具有碱金属原子（6），多层磁屏蔽罩（1）下面放置检偏器（9）和信号处理电路（10），信号处理电路（10）上面设有光电二极管阵列（11）；所述圆偏振抽运光（7）从外部穿入碱金属原子气室（4），所述线偏振探测光（2）从外部穿过高反射镜（5）上的圆孔（3）进入碱金属原子气室（4），在圆偏振抽运光（7）的不断抽运下碱金属原子（6）产生极化，并在外部磁场的作用下产生的磁矩，磁矩使碱金属原子（6）的角动量与线偏振探测光（2）的光子相互作用使线偏振探测光（2）的偏振面发生偏转，该偏转角度与外部磁场、线偏振探测光（2）在碱金属原子气室（4）中的光程成比例；偏转的线偏振探测光（2）经高反射镜（5）和半透半反镜片（8）产生多次反射，在半透半反镜片（8）上的一部分光被反射回原子气室，另一部分透射后经过检偏器（9）进入光电二极管阵列（11）上对应的光电二极管，由光电二极管阵列（11）中的各个光电二极管分别接收不同偏振面偏转角、振幅值、相位信息的线偏振探测光（2）的状态信号；所述信号处理电路（10）采集光电二极管阵列（11）上传输的多个光信号，并对每一路信号进行分析、对比，从而得到线偏振探测光（2）经历每一次反射后的变化信息，并分别处理每一次反射后的光信息变化同，可以更好、更准确地研究碱金属原子在外磁场作用下的量子信息，研究探测光在碱金属原子与外磁场共同作用下的偏振态及相位信息的变化，从而提高弱磁场的检测灵敏度、分辨率。
2.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述的多层磁屏蔽罩（1）为超磁导率的坡莫合金材料，其成分为78%Ni-Fe合金中加入铌、钽、钼、铬、钛、铝、锰元素，其硬度Hv>200。
3.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述的线偏振探测光（2）和圆偏振抽运光（7）为与碱金属原子塞曼分裂谱线对应波长的激光，钾原子对应激光波长为770.1nm、铷原子对应激光波长为794.2nm、铯原子对应激光波长为894.5nm。
4.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述的碱金属原子气室（4）、高反射镜片（5）和半透半反镜片（8）的材料均为耐高温、热膨胀系数小，光学透过率高的熔融石英玻璃JGS2。
5.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述的碱金属原子（6）为钾、铷、铯中的一种或该三种碱金属原子的任一组合。
6.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述高反射镜片（5）和半透半反镜片（8）通过激光透射焊接与碱金属原子气室（4）的内壁严密粘合。
7.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述的高反射镜片（5）和半透半反镜片（8）为曲率、尺寸均相同的反射镜，且曲率和尺寸与线偏振探测光（2）多次反射要求相适配，反射镜为球面、非球面、自由曲面、柱面反射镜中的一种。
8.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述的高反射镜片（5）的反射面镀有高反射率膜，高反射率膜为近红外介质膜。
9.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述的检偏器（9）为石英材料制成的针对线偏振探测光（2）的波长的波片，检偏器（9）用来判断探测光的偏振态变化。
10.根据权利要求1所述的基于多信号融合的弱磁场检测装置，其特征在于：所述的信号处理电路（10）为根据光电二极管阵列（11）的要求来完成电荷/电压转换、电流/电压转换、频率/电压转换，并对变换后的电信号实现放大、有源滤波或运算的集成电路，通过所述集成电路运算结果最终得到光信号变化值与磁场强度变化值之间的对应关系。
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