CN109188316B - 液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及磁场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及其测量磁场的方法，可用于磁力仪；包括垂直于磁场方向的泵浦光光路、沿磁场方向的探测光光路和电路闭环；泵浦光光路依次包括原子气室、第一偏振片、声光调制器、激光器；探测光光路依次包括光电探测器、泵浦光光路中的原子气室、第二1/4波片、液晶、第一1/4波片、第二偏振片和激光器；电路闭环部分包括光电探测器、放大比较器、电源驱动、声光调制器、计数器。本发明设计液晶相位补偿方案，结合光强调制磁力仪和自激式磁力仪，能够避免电路线圈带来的相移且实现更大范围磁场的移相，解决电路移相不利的问题，响应速度快，适用各种原子，应用价值高。

Description

液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及磁场测量方法

技术领域

本发明涉及光泵磁力仪技术领域，尤其涉及一种液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及在地磁场情况下各原子均适用的原子磁传感器及利用该原子磁传感器测量磁场的方法。

背景技术

磁力仪是磁场测量仪器的统称。高灵敏度磁场测量技术在生物医学、地球物理、空间探索以及军事与国防等领域都有着广泛且重要的应用。目前，国内外磁力测量研究水平差异显著，国外先进水平的磁力仪在灵敏度指标等方面已远超过我国。因此，自主研制高灵敏度磁力仪，具有战略意义。光泵原子磁力仪是目前比较成熟的高灵敏度磁力仪之一，其中激光光泵原子磁力仪由于单色性好、选择特性优良等优势，能够极大程度地提升性能指标，因而成为国内外研究热点。

基于原子的磁光双共振原理的激光光泵原子磁力仪，通常包含三个过程：光泵浦过程，极化原子在外磁场中演化，磁共振探测。需要物理部件包括激光光源、原子磁传感器、磁共振信号检测电路等部分。激光光源产生特定波长(使得原子磁传感器内原子产生光泵浦作用的光频率值)、强度与频谱宽度的激光光束，一般需要稳频及激光稳功率稳定装置。原子磁传感器包括若干光学偏振器件、原子气室、亥姆霍兹线圈以及光电探测器：偏振器件通常为波片与偏振分束棱镜等光学器件的组合，使得激光光源产生的激光光束具有特定的偏振方向以便于与原子发生角动量转换，进而极化原子介质；原子气室是充有一定压强的原子气体的波璃泡，具有特定偏振的激光光束入射至原子介质气室，与气室内原子相互作用极化原子；被光极化的原子介质在外磁场的作用下进行有规律的演化，缠绕于原子气室周围的亥姆赫兹线圈，产生具有一定频率且方向垂直于激光光束传播方向的交变磁场，当交变磁场的频率恰好等于原子进动频率时，产生磁共振，造成气室对探测光的吸收变化；光电探测器置于原子介质气室后侧，实时探测透过原子介质气室的光信号，并将光信号转换为电信号。磁共振信号检测电路对光电探测器探测得到的电信号进行处理，通过滤波、放大、锁相等，反馈控制亥姆霍兹线圈，跟踪锁定磁共振产生时对应的频率值，同时根据磁场与频率的换算关系，推算出磁场的大小，实现对磁场的测量。

1961年，Bell和Bloom提出调制光场驱动自旋进动的磁力仪方案，该方案采用光强度调制的圆偏振光代替磁光双共振方案里亥姆赫兹线圈产生的垂直于外磁场的射频场，光场调制频率等于拉莫频率的整数倍时，探测光的吸收出现周期震荡，震荡频率是磁场对应拉莫频率或者是其倍数，通过解调后可获得磁场值。同样对激光的频率、相位进行调制，可以得到类似的磁共振信号，锁定后可以得到磁场值。

为了实现磁场快速锁定同时简化磁力仪的结构，1962年Bloom提出一种自激震荡磁力仪的方法。自激振荡电路由放大电路和反馈网络组成，两者构成一个闭合回路，且必须满足自激振荡条件(增益条件及相位条件)。传统的自激式原子磁力仪利用了自激振荡电路的基本原理。在射频场的作用下，当产生磁共振时，探测光的吸收产生同频率的振荡，但是探测信号相位比射频场延迟了90度，按照自激振荡的原理，将探测信号相位移相90度，使整个环路的相移为2nπ即可发生自激振荡。这种自激式磁力仪也更适合小型化的设计。

现有传统的自激原子磁力仪需要移相电路将探测信号移相90度实现磁场测量，但由于移相电路受到磁场大小的影响，使电路移相较为困难,需要额外相位补偿，这一情况限制了自激磁力仪的灵敏度。而在外磁场变化范围较大的情况下，对应拉莫频率范围也变大，实现移相就更为困难。尤其在地磁场这类大磁场情况下，如果要用旋磁比更高的类似于氦原子作为原子介质，对应拉莫频率就更高，也不利于移相电路的设计。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提出了一种液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及利用该自激式原子磁传感器测量磁场的方法，设计液晶相位补偿方案，结合了光强调制磁力仪和自激式磁力仪的优点，避免了电路线圈带来的相移且实现更大范围磁场的移相，能够解决电路移相中不利的问题，磁力仪响应速度快，适用各种原子，具有更广泛的应用价值。

本发明的技术方案是：

一种液晶相位补偿的自激式原子磁传感器，可用于磁力仪；包括泵浦光光路、探测光光路和电路闭环部分；其中，泵浦光光路(垂直于磁场方向)依次包括：原子气室、第一偏振片、扩束器、声光调制器、激光器；探测光光路(沿磁场方向)上依次包括：光电探测器、泵浦光光路中的原子气室、第二1/4波片、液晶、第一1/4波片、第二偏振片、泵浦光光路中的激光器；电路闭环部分包括：探测光光路中的光电探测器、放大比较器、电源驱动、泵浦光光路中的声光调制器、计数器。激光器发出光束，可通过分束器将激光器发出的光束分为两束激光，分别为泵浦光和探测光；泵浦光经过由电源驱动调制驱动的声光调制器，形成一束调制光，经过扩束器与第一偏振片后，泵浦光变为大光斑线偏振光，线偏振光沿着磁场垂直方向入射原子气室，与原子气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出原子气室；探测光经过第二偏振片、第一1/4波片、液晶与第二1/4波片后，变为可由液晶电压调制相位的线偏振光，使其产生90度的相移，线偏振光沿磁场方向垂直入射原子气室，由光电探测器探测；光电探测器得到的电信号经过比较放大器，分为两路；一路对电源驱动进行驱动调制，形成闭环，另一路接入计数器，对频率进行计数，从而计算出磁场。

进一步地，通过调整扩束器，可以调节泵浦光的光斑大小，从而增大信号。通过调解液晶的电压输入，可以调节探测光的相位，实现相位补偿。

具体地，本发明提供的自激式原子磁传感器包括在泵浦光光路(垂直于磁场方向)上依次布置的：一原子气室，用于利用泵浦光对原子气室内原子进行光泵浦，产生塞曼能级分裂。包括第一偏振片，用以调整泵浦光的偏振状态。还包括一利用声光调制器，一激光器，用以发出可调制的泵浦激光。

进一步地，包括一个扩束器，用以扩大光斑增大信号。

在探测光光路(沿磁场方向)上依次布置：一光电探测器，将光信号转化为电信号；包括泵浦光光路中的原子气室，利用探测光探测其极化状态。

进一步地，包括第二1/4波片，液晶，第一1/4波片，通过第一1/4波片后将线偏振光变为圆偏振光，通过液晶改变圆偏振光x分量和y分量的相位关系，再通过第二1/4波片变回线偏振光，此模块用以更精确地调整线偏振光的相位状态，以控制相位满足自激相位条件。

进一步地，包括第二偏振片，用以调整探测光的偏振状态。还包括泵浦光光路中的激光器，用以发出探测激光。

电路闭环部分，包括：探测光路中的光电探测器，用以采集交流信号。放大比较器，用以将光电探测器给出的交流正弦信号放大并转换成后续电路可以使用的方波信号。电源驱动，用以调制声光调制器。泵浦光光路中的声光调制器，用以调制激光器发出的激光。计数器，用以计数得到频率信号，以此利用旋磁比推演得到磁场信号。

本发明还提供一种利用液晶相位补偿的自激式原子磁传感器测量磁场的方法，包括以下步骤：

1)在泵浦光光路(垂直于磁场方向)上依次布置原子气室、第一偏振片、扩束器、声光调制器和激光器；在探测光光路(沿磁场方向)上依次布置光电探测器、泵浦光路中的原子气室、第二1/4波片、液晶、第一1/4波片、第二偏振片和泵浦光光路中的激光器；在电路闭环部分依次布置探测光光路中的光电探测器、放大比较器、电源驱动器、泵浦光光路中的声光调制器和计数器；

从激光器发出一束激光，经过声光调制器调制，，形成一束被调制的泵浦光然后经过泵浦光光路并通过原子气室，对气室中的原子进行极化；

进一步地，经调制后的激光经过泵浦光光路具体是：依次经过一个扩束器和一个起偏器(第一偏振器)；通过扩束器扩大光斑增大信号，通过第一偏振器调节激光偏振性。2)从激光器通过分光器件发出的另一束激光，沿着磁场方向经过探测光光路并通过原子气室，探测光携带有磁场信息的光信号汇聚于光电探测器上，得到调制交流信号。

进一步地，经过探测光光路具体是：依次经过一个起偏器(第二偏振器)、第一1/4波片、液晶和第二1/4波片；通过第二偏振器调节激光偏振性，通过第一1/4波片将线偏振光变为圆偏振光，通过液晶将电信号转化相位信息，改变圆偏振光x分量和y分量的相位关系，再通过第二1/4波片变回线偏振光，以此精确调节探测光相位。

3)从光电探测器中得到的调制交流信号经过比较放大器，形成一个调制的方波信号。

4)形成的调制方波信号分为两路；第一路进入电源驱动器，电源驱动器驱动声光调制器对探测光进行调制，完成闭环.

5)形成的调制方波信号第二路进入计数器，计数得到频率值，通过原子的旋磁比系数对频率信号换算，由此得到磁场信息。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种液晶相位补偿的自激式原子磁传感器及利用该自激式原子磁传感器测量磁场的方法，设计的液晶相位补偿方案结合了光强调制磁力仪和自激式磁力仪的优点，避免电路线圈带来的相移且实现更大范围磁场的移相，能够解决电路移相中不利的问题，磁力仪响应速度快，适用各种原子，具有更广泛的应用价值。

具体地，本发明技术方案具有如下技术优势：

(一)该发明具有锁定速度快，响应范围广等优点，适用于快变大磁场的测量。

(二)同时，利用液晶相位补偿的自激式原子磁传感器利用自激锁相的方法，因此避免了跟踪式磁光双共振磁力仪的亥姆赫兹线圈、后续电路等结构，易于实现小型化便携式的磁力仪。

(三)该方案结构非常简单，无需常规自激式磁力仪的复杂电路，调相方式简单，适用于各种原子。

附图说明

图1为本发明提供的液晶相位补偿的自激式原子磁传感器的模块结构示意图；

其中：1-激光器；2-电源驱动；3-声光调制器；4-扩束器；5-第一偏振片；6-第二偏振片；7-第一1/4波片；8-液晶；9-第二1/4波片；10-原子气室；11-光电探测器；12-比较放大器；13-计数器。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

如图1所示为本发明的主要功能模块示意图，其中，可以利用分束器，将激光器1发出的光束分为两束激光，分别定义为泵浦光和探测光。

泵浦光经过由电源驱动3调制驱动的声光调制器4，形成一束调制光，经过扩束器4与第一偏振片5后，泵浦光变为大光斑线偏振光，线偏振光沿着磁场垂直方向入射原子气室10，与气室内原子相互作用产生光泵浦后透射出气室。

另一路探测光经过第二偏振片6、第一1/4波片7、液晶8与第二1/4波片9后，探测光变为可由液晶电压调制相位的线偏振光，使其产生90度的相移，线偏振光沿磁场方向垂直入射原子气室10，由光电探测器11探测。

将光电探测器得到的电信号经过比较放大器12，一路对电源驱动2进行驱动调制，形成闭环，另一路接入计数器13，对频率进行计数，从而计算出磁场。

通过调整扩束器4，可以调节泵浦光的光斑大小。

通过调解液晶8的电压输入，可以调节探测光的相位，实现相位补偿。

下面以基于氦(⁴He)原子的利用全光方案设计的自激式磁传感器为具体实例，说明本发明的工作过程与原理：

1、选用的具体器件如下

激光器1为1083nm的半导体激光器，第一偏振片5、第二偏振片6，均为中心波长为1083nm的偏振片。第一1/4波片7与第二1/4波片9为中心波长为1083nm的1/4波片。液晶为中心波长为1083nm的液晶。电源驱动2的输出为5V方波。声光调制器3的中心波长为1083nm。比较放大器12为可调整参考电压的将正弦波转化为方波的电路。计数器13为可响应10MHz的计数器。原子气室10为底面直径50mm，高70mm的圆柱体波璃气泡，内部充氦(⁴He)原子气体，气压1Torr。光电探测器11为能够响应1083nm中心波长光信号的InGaAs光电管。

2、工作过程和原理

由激光器1产生的1083nm的激光光束通过分光器件后形成泵浦光与探测光。其中泵浦光经过声光调制器3，转变为光强受调制的光，通过扩束器4和第一偏振片5后，转变为一束可以调节光斑大小的线偏振光，入射到原子气室10，光与原子相互作用，使气室内的原子受到了调制形成极化原子，被极化的原子在外磁场作用下演化。探测光首先经过第二偏振片6，形成一束初相位确定的线偏振光，后经过第一1/4波片7，液晶8和第二1/4波片9，可由其外部供电电压改变其旋光效果，实现精细的旋光效应，从而改变探测光的相位，使其满足自激回路中的相位条件，然后探测光进入原子气室10，与受到含有调制的泵浦光极化后的原子相互作用，产生了相应调制的信号，进入光电探测器11，经由比较放大器12后，通过调节参考电压，将正弦信号变为占空比为50％的方波信号，将该方波一路输入电源驱动2，电源驱动反馈驱动声光调制器3，形成闭环，将比较放大器12输出方波的另一路输出至计数器13，记录其调制频率，通过旋磁比可以计算得到磁场值，实现对外界磁场的测量及跟踪锁定。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种液晶相位补偿的自激式原子磁传感器，可用于磁力仪；包括垂直于磁场方向的泵浦光光路、沿磁场方向的探测光光路和电路闭环部分；其中：

泵浦光光路依次包括：原子气室、第一偏振片、声光调制器、激光器；激光器发出光束，通过分束器将激光器发出的光束分为两束激光，分别为泵浦光和探测光；

在泵浦光光路的第一偏振片和声光调制器之间，还包括一扩束器，通过调整扩束器调节泵浦光的光斑大小；

探测光光路依次包括：光电探测器、泵浦光光路中的原子气室、第二1/4波片、液晶、第一1/4波片、第二偏振片、泵浦光光路中的激光器；通过调解液晶的电压输入调节探测光的相位，实现相位补偿；

电路闭环部分包括：探测光光路中的光电探测器、放大比较器、电源驱动、泵浦光光路中的声光调制器和计数器；

所述原子气室用于利用泵浦光对原子气室内原子进行光泵浦，产生塞曼能级分裂；所述第一偏振片用于调整泵浦光的偏振状态；所述声光调制器和激光器用于发出可调制的泵浦光；

所述光电探测器用于将光信号转化为电信号；利用探测光探测原子气室的极化状态；探测光通过第一1/4波片后将线偏振光变为圆偏振光，通过液晶改变圆偏振光x分量和y分量的相位关系，再通过第二1/4波片变回线偏振光；第一1/4波片-液晶-第二1/4波片模块用于更精确地调整线偏振光的相位状态，从而控制相位满足自激相位条件；第二偏振片用于调整探测光的偏振状态；激光器用于发出探测光；

电路闭环部分中，探测光路中的光电探测器用于采集交流信号；放大比较器用于将光电探测器给出的交流正弦信号放大并转换成后续电路可以使用的方波信号；电源驱动用于调制声光调制器；所述计数器用于计数得到频率信号，利用旋磁比对频率信号进行换算，由此得到磁场信号。

2.如权利要求1所述液晶相位补偿的自激式原子磁传感器，其特征是，激光器为1083nm的半导体激光器；第一偏振片和第二偏振片均为中心波长为1083nm的偏振片；第一1/4波片和第二1/4波片均为中心波长为1083nm的1/4波片；液晶为中心波长为1083nm的液晶；声光调制器的中心波长为1083nm；光电探测器为能够响应1083nm中心波长光信号的InGaAs光电管。

3.如权利要求1所述液晶相位补偿的自激式原子磁传感器，其特征是，电源驱动的输出为5V方波；比较放大器可调整参考电压，将正弦波转化为方波。

4.如权利要求1所述液晶相位补偿的自激式原子磁传感器，其特征是，计数器为可响应10MHz的计数器。

5.如权利要求1所述液晶相位补偿的自激式原子磁传感器，其特征是，原子气室是其底面直径为50mm，高为70mm的圆柱体玻璃气泡，内部充氦原子⁴He气体，气压为1Torr。

6.一种利用权利要求1所述液晶相位补偿的自激式原子磁传感器测量磁场的方法，在垂直于磁场方向的泵浦光光路上依次布置原子气室、第一偏振片、扩束器、声光调制器和激光器；沿磁场方向的探测光光路依次包括光电探测器、泵浦光路中的原子气室、第二1/4波片、液晶、第一1/4波片、第二偏振片和泵浦光光路中的激光器；在电路闭环部分依次布置探测光光路中的光电探测器、放大比较器、电源驱动器、泵浦光光路中的声光调制器和计数器；

测量磁场包括以下步骤：

1)从激光器发出一束激光，经过声光调制器调制，形成一束被调制的泵浦光，依次经过扩束器和第一偏振片；通过扩束器扩大光斑增大信号，通过第一偏振器调节激光偏振性；然后经泵浦光光路并通过原子气室，对原子气室中的原子进行极化；

2)从激光器通过分光器件发出另一束激光为探测光，沿着磁场方向经过探测光光路并通过原子气室，携带有磁场信息的探测光信号汇聚于光电探测器上；

3)从光电探测器中得到的调制交流信号经过比较放大器，形成一个调制的方波信号；

4)形成的调制方波信号分为两路；第一路进入电源驱动器，电源驱动器驱动声光调制器对探测光进行调制，完成闭环；

5)形成的调制方波信号第二路进入计数器，计数得到频率值，通过原子的旋磁比系数对频率信号进行换算，由此得到磁场信息。

7.如权利要求6所述的测量磁场的方法，其特征是，步骤2)探测光沿着磁场方向经过探测光光路具体是：依次经过第二偏振器、第一1/4波片、液晶和第二1/4波片；通过第二偏振器调节探测光的偏振性；通过第一1/4波片将线偏振光变为圆偏振光；通过液晶将电信号转化相位信息，改变圆偏振光x分量和y分量的相位关系；再通过第二1/4波片变回线偏振光，由此精确调节探测光的相位。

8.如权利要求6所述的测量磁场的方法，其特征是，激光器为1083nm的半导体激光器；第一偏振片和第二偏振片均为中心波长为1083nm的偏振片；第一1/4波片和第二1/4波片均为中心波长为1083nm的1/4波片；液晶为中心波长为1083nm的液晶；声光调制器的中心波长为1083nm；光电探测器为能够响应1083nm中心波长光信号的InGaAs光电管；电源驱动的输出为5V方波；计数器为可响应10MHz的计数器；原子气室是其底面直径为50mm，高为70mm的圆柱体玻璃气泡，内部充氦原子⁴He气体，气压为1Torr。

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