CN109765507A - 一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统，通过两个对称的自激式激光光泵磁力仪中的原子吸收室相互抵消相移，使本发明的自激式激光光泵磁力仪系统在不存在±90°移相电路的情况下，也能满足θ＝0°的相位条件，从而使整个自激式光泵磁力仪系统的电路结构大大简化，还能使自激式光泵磁力仪系统的共振谱线更加对称，能极大降低由原子能级共振谱线不对称而引起的转向差。
Description
技术领域
本发明属于磁场计量技术领域，尤其涉及一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统。
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碱金属原子或氦原子吸收，碱金属原子或氦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。宏观磁矩使碱金属原子或氦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，其中，Mx结构自激式的光泵磁力仪是使拉莫尔大小的频率信号在系统中产生正反馈振荡，根据所测得的系统振荡频率值而得到磁场大小。自激式的光泵磁力仪具有响应速度快、结构简单等特点，目前很多光泵磁力仪如Cs-L、Cs-3等均采用这种方法。为了使系统产生稳定的正反馈，需要使整个回路满足相位θ＝0°和放大倍数u＝1的条件，通常采用的方法是设计包含90°移相电路和增益可调的放大电路。然而，在实际应用中，由于待测磁场方向未知，当磁场与光泵磁力仪的相对方向发生变化时，所测得的磁场值会带有转向差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统，不需要±90°移相电路，使整个自激式光泵磁力仪系统的电路结构大大简化。
一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统，用于测量外部磁场，包括频率计数器、第一自激式激光光泵磁力仪以及第二自激式激光光泵磁力仪，其中，两个自激式激光光泵磁力仪均包括圆偏振光模块、射频线圈、原子吸收室以及光电探测器，且射频线圈缠绕在原子吸收室的外部；
两个圆偏振光模块入射到各自对应的原子吸收室的圆偏振光大小相等、方向相反；
两个光电探测器分别接收各自对应的原子吸收室输出的光信号，然后将光信号转换为电信号；
所述第一自激式激光光泵磁力仪的光电探测器输出的电信号输入第二自激式激光光泵磁力仪的射频线圈，第二自激式激光光泵磁力仪的光电探测器输出的电信号输入第一自激式激光光泵磁力仪的射频线圈；
所述频率计数器用于测量任意一个光电探测器输出的电信号的振荡频率值。
进一步地，两个自激式激光光泵磁力仪共用一个圆偏振光模块22，所述圆偏振光模块22包括半导体激光器1、扩束器2、半透半反镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第一偏振片7、第一1/4波片8、第二偏振片14以及第二1/4波片15；
所述半导体激光器1出射的激光经过扩束器2扩束后，经过半透半反镜3分成相互垂直的两束子激光，其中，从半透半反镜3透射出来的一束子激光经过第二偏振片14和第二1/4波片15后，变为入射到第二自激式激光光泵磁力仪的原子吸收室17的圆偏振光；从半透半反镜3反射出来的另一束子激光依次经过第一反射镜4、第二反射镜5以及第三反射镜6的反射后，再经过第一偏振片7和第一1/4波片8后，变为入射到第一自激式激光光泵磁力仪的原子吸收室10的圆偏振光。
进一步地，所述两个原子吸收室均为真空室，且内部充有碱金属气体或氦气。
进一步地，第一自激式激光光泵磁力仪还包括第一聚光透镜11，第二自激式激光光泵磁力仪还包括第二聚光透镜18，其中，第一自激式激光光泵磁力仪和第二自激式激光光泵磁力仪的原子吸收室输出的光信号分别为第一光信号和第二光信号；
所述第一聚光透镜11用于对第一光信号进行聚焦，则第一自激式激光光泵磁力仪的光电探测器12接收经过聚焦后的第一光信号；
所述第二聚光透镜18用于对第二光信号进行聚焦，则第二自激式激光光泵磁力仪的光电探测器19接收经过聚焦后的第二光信号。
进一步地，第一自激式激光光泵磁力仪还包括第一跨阻放大器13，第二自激式激光光泵磁力仪还包括第二跨阻放大器20，其中，第一自激式激光光泵磁力仪和第二自激式激光光泵磁力仪的光电探测器输出的电信号分别为第一电信号和第二电信号；
所述第一跨阻放大器13用于对第一电信号进行放大，然后将放大后的第一电信号输入第二自激式激光光泵磁力仪的射频线圈16；
所述第二跨阻放大器20用于对第二电信号进行放大，然后将放大后的第二电信号输入第一自激式激光光泵磁力仪的射频线圈9。
有益效果：
本发明提供一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统，通过两个对称的自激式激光光泵磁力仪中的原子吸收室相互抵消相移，使本发明的自激式激光光泵磁力仪系统在不存在±90°移相电路的情况下，也能满足θ＝0°的相位条件，从而使整个自激式光泵磁力仪系统的电路结构大大简化，还能使自激式光泵磁力仪系统的共振谱线更加对称，能极大降低由原子能级共振谱线不对称而引起的转向差。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统的结构示意图；
图2为本发明提供的另一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统的结构示意图；
1-半导体激光器、2-扩束器、3-半透半反镜、4-第一反射镜、5-第二反射镜、6-第三反射镜、7-第一偏振片、8-第一1/4波片、9-第一射频线圈、10-第一原子吸收室、11-第一聚光透镜、12-第一光电探测器、13-第一跨阻放大器、14-第二偏振片、15-第二1/4波片、16-第二射频线圈、17-第二原子吸收室、18-第二聚光透镜、19-第二光电探测器、20-第二跨阻放大器、21-频率计数器、22-圆偏振光模块。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，该图为本实施例提供的一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统的结构原理图。一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统，用于测量外部磁场，包括频率计数器21、第一自激式激光光泵磁力仪以及第二自激式激光光泵磁力仪，且两个自激式激光光泵磁力仪共用一个圆偏振光模块22，第一自激式激光光泵磁力仪包括第一射频线圈9、第一原子吸收室10以及第一光电探测器12，且第一射频线圈9缠绕在第一原子吸收室10的外部，第二自激式激光光泵磁力仪包括第二射频线圈16、第二原子吸收室17以及第二光电探测器19，且第二射频线圈16缠绕在第二原子吸收室17的外部；
所述圆偏振光模块22出射的两束大小相等、方向相反的圆偏振光分别入射到第一原子吸收室10和第二原子吸收室17，在第一射频线圈9产生的交变磁场和外部磁场的共同作用下，圆偏振光通过泵浦第一原子吸收室10形成光磁共振，则第一原子吸收室10得到第一输出光；同时，在第二射频线圈16产生的交变磁场和外部磁场的共同作用下，圆偏振光通过泵浦第二原子吸收室17形成光磁共振，则第二原子吸收室17得到第二输出光；
所述第一光电探测器12用于将所述第一输出光转换为第一电信号，然后第一电信号输入到所述第二射频线圈16，则第二射频线圈16为第二原子吸收室17中的光磁共振提供交变磁场；
所述第二光电探测器19用于将所述第二输出光转换为第二电信号，然后第二电信号输入到所述第一射频线圈9，则第一射频线圈9为第一原子吸收室10中的光磁共振提供交变磁场；
所述频率计数器21用于测量第一电信号或第二电信号的振荡频率值，然后通过所述振荡频率值与磁场的对应关系，得到外部磁场的大小。
需要说明的是，所述第一原子吸收室10和第二原子吸收室17为真空室，且内部充有碱金属气体或氦气。可选的，碱金属气体为钾、铷或铯。两个射频线圈产生的交变磁场，使得原子吸收室中，原子在圆偏振光的泵浦下形成的宏观磁矩相干。
下面介绍本实施例的基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪的工作原理：
原子吸收室中的原子能级在外磁场下产生塞曼分裂，形成塞曼子能级，在圆偏振光的泵浦下，原子塞曼子能级的热平衡状态被打破，则原子将会产生一定的自旋取向，并在圆偏振光的传播方向上形成宏观磁矩，宏观磁矩的存在使得原子吸收室中的原子在外部磁场下受到力矩作用，原子将围绕外部磁场作拉莫尔进动，且拉莫尔进动的频率与外部磁场的大小成正比；由此可见，若想要通过自激式激光光泵磁力仪测量外部磁场的大小，就需要知道拉莫尔进动的频率。同时在交变磁场的作用下，交变磁场使得原子磁矩相干，原子磁矩相干后，原子磁矩的大小变化才是一个周期性信号，呈现周期性才能保持一个稳定的频率，而从原子吸收室输出的光信号的光强与原子磁矩的大小成线性相关，则当原子磁矩大小周期性变化时，光信号的光强也周期性变化，也就是说，此时光信号的频率与原子磁矩的频率相同；而当射频线圈上的交流电信号的频率与拉莫尔频率相等时，说明被圆偏振光泵浦后的原子能级与射频线圈产生的交变磁场产生共振，形成光磁共振效应，此时，光电探测器输出的电信号再输入射频线圈；进一步地，在光磁共振效应中，原子吸收室输出的光信号的相位会比射频线圈上的交流电信号的相位超前或滞后90°，也就是说，本实施例的光电探测器输出的电信号的相位比射频线圈上的交流电信号的相位超前或滞后90°，其中，相位是超前还是滞后，与外部磁场的方向和圆偏振光的方向有关。通过图中电路设计方法，在整个回路中，拉莫尔频率信号满足整个系统回路相位为0的条件，通过调节跨阻放大器的放大倍数，使得整个回路放大倍数为1，这样就满足了正反馈振荡条件，系统在拉莫尔频率处产生振荡，通过频率计数器测量系统振荡频率，再根据拉莫尔频率与外磁场的比例系数既可以得到外磁场的大小。
因此，关键之处是需要让整个自激式光泵磁力仪系统的内部电路在拉莫尔频率处形成正反馈振荡，而形成正反馈振荡的条件为：整个光泵磁力仪系统内部电路的相位差为2nπ，放大倍数为1；然而由于现有的自激式光泵磁力仪发生光磁共振发生后射频场频率为拉莫尔频率，都会产生90°的相位超前或相位滞后，而本实施例采用两个自激式激光光泵磁力仪，具有两个对称的原子吸收室，分别被两个大小相同、方向相反的圆偏振光的泵浦，同时在外部磁场和交变磁场的作用下，形成光磁共振效应；假设第一射频线圈9上的交流电信号的相位为0°，第一原子吸收室10输出的光信号的相位比第一射频线圈9上的交流电信号的相位超前90°，也就是第一原子吸收室10输出的光信号相位为90°，则第二射频线圈16接收的是由第一原子吸收室10输出的光信号转变而来的第一电信号，即第二射频线圈16上的交流电信号的相位为90°；由于两个原子吸收室中的圆偏振光方向相反，则第二原子吸收室17输出的光信号的相位要比第二射频线圈16上的交流电信号的相位滞后90°，也就是说，第二原子吸收室17输出的第二输出光的相位为0°，同时也就使得进入第一射频线圈9上的交流电信号的相位为0°，最终使得整个自激式光泵磁力仪内部电路的相位差在拉莫尔频率处为0。
由此可见，本实施例提供的自激式光泵磁力仪系统通过两个对称的原子吸收室相互抵消相移，就可以使自激式光泵磁力仪系统中的内部电路满足θ＝0°的相位条件，不需要±90°的移相电路，使整个自激式光泵磁力仪系统的电路结构大大简化，还能使自激式光泵磁力仪的共振谱线更加对称，能极大降低由原子能级共振谱线不对称而引起的转向差。
实施例二
基于以上实施例，本实施例提供另一种自激式激光光泵磁力仪系统。参见图2，该图为本实施例提供一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统的结构原理图。具体的，本实施例的自激式激光光泵磁力仪系统还包括第一聚光透镜11、第二聚光透镜18、第一跨阻放大器13以及第二跨阻放大器20，且所述圆偏振光模块22包括半导体激光器1、扩束器2、半透半反镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、第一偏振片7、第一1/4波片8、第二偏振片14以及第二1/4波片15；
所述半导体激光器1出射的激光经过扩束器2扩束后，经过半透半反镜3分成相互垂直的两束子激光，其中，从半透半反镜3透射出来的一束子激光经过第二偏振片14和第二1/4波片15后，变为入射到第二原子吸收室17的圆偏振光；从半透半反镜3反射出来的另一束子激光依次经过第一反射镜4、第二反射镜5以及第三反射镜6的反射后，与从半透半反镜3透射出来的子激光方向相反，则该与从半透半反镜3透射出来的子激光方向相反的子激光经过第一偏振片7和第一1/4波片8后，变为入射到第一原子吸收室10的圆偏振光。
所述第一聚光透镜11用于对第一原子吸收室10出射的第一输出光进行聚焦，则所述第一光电探测器12接收经过聚焦后的第一输出光；
所述第二聚光透镜18用于对第二原子吸收室17出射的第二输出光进行聚焦，则所述第二光电探测器12接收经过聚焦后的第二输出光。
所述第一跨阻放大器13用于对第一电信号进行放大，放大后的第一电信号再输入第二射频线圈16；
所述第二跨阻放大器20用于对第二电信号进行放大，放大后的第二电信号再输入第一射频线圈9。
需要说明的是，两个跨阻放大器的设置，是为了防止信号在传输过程中可能产生的信号衰减，使得整个自激式激光光泵磁力仪的放大倍数不为1。跨阻放大器分别有两个输入端和两个输出端，其中光电探测器输出的电信号分别连接跨阻放大器的输入正端和输入负端，而跨阻放大器的两个输出端分别连接射频线圈的两端，为了显示简洁，在图2中仅画出跨阻放大器的一个输入端和一个输出端作为连接示意。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于双吸收室的自激式激光光泵磁力仪系统，用于测量外部磁场，其特征在于，包括频率计数器、第一自激式激光光泵磁力仪以及第二自激式激光光泵磁力仪，其中，两个自激式激光光泵磁力仪均包括圆偏振光模块、射频线圈、原子吸收室以及光电探测器，且射频线圈缠绕在原子吸收室的外部；
两个圆偏振光模块入射到各自对应的原子吸收室的圆偏振光大小相等、方向相反；
两个光电探测器分别接收各自对应的原子吸收室输出的光信号，然后将光信号转换为电信号；
所述第一自激式激光光泵磁力仪的光电探测器输出的电信号输入第二自激式激光光泵磁力仪的射频线圈，第二自激式激光光泵磁力仪的光电探测器输出的电信号输入第一自激式激光光泵磁力仪的射频线圈；
所述频率计数器用于测量任意一个光电探测器输出的电信号的振荡频率值。
2.如权利要求1所述的一种双吸收室自激式激光光泵磁力仪系统，其特征在于，两个自激式激光光泵磁力仪共用一个圆偏振光模块(22)，所述圆偏振光模块(22)包括半导体激光器(1)、扩束器(2)、半透半反镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、第一偏振片(7)、第一1/4波片(8)、第二偏振片(14)以及第二1/4波片(15)；
所述半导体激光器(1)出射的激光经过扩束器(2)扩束后，经过半透半反镜(3)分成相互垂直的两束子激光，其中，从半透半反镜(3)透射出来的一束子激光经过第二偏振片(14)和第二1/4波片(15)后，变为入射到第二自激式激光光泵磁力仪的原子吸收室(17)的圆偏振光；从半透半反镜(3)反射出来的另一束子激光依次经过第一反射镜(4)、第二反射镜(5)以及第三反射镜(6)的反射后，再经过第一偏振片(7)和第一1/4波片(8)后，变为入射到第一自激式激光光泵磁力仪的原子吸收室(10)的圆偏振光。
3.如权利要求1所述的一种双吸收室自激式激光光泵磁力仪系统，其特征在于，所述两个原子吸收室均为真空室，且内部充有碱金属气体或氦气。
4.如权利要求1所述的一种双吸收室自激式激光光泵磁力仪系统，其特征在于，第一自激式激光光泵磁力仪还包括第一聚光透镜(11)，第二自激式激光光泵磁力仪还包括第二聚光透镜(18)，其中，第一自激式激光光泵磁力仪和第二自激式激光光泵磁力仪的原子吸收室输出的光信号分别为第一光信号和第二光信号；
所述第一聚光透镜(11)用于对第一光信号进行聚焦，则第一自激式激光光泵磁力仪的光电探测器(12)接收经过聚焦后的第一光信号；
所述第二聚光透镜(18)用于对第二光信号进行聚焦，则第二自激式激光光泵磁力仪的光电探测器(19)接收经过聚焦后的第二光信号。
5.如权利要求1所述的一种双吸收室自激式激光光泵磁力仪系统，其特征在于，第一自激式激光光泵磁力仪还包括第一跨阻放大器(13)，第二自激式激光光泵磁力仪还包括第二跨阻放大器(20)，其中，第一自激式激光光泵磁力仪和第二自激式激光光泵磁力仪的光电探测器输出的电信号分别为第一电信号和第二电信号；
所述第一跨阻放大器(13)用于对第一电信号进行放大，然后将放大后的第一电信号输入第二自激式激光光泵磁力仪的射频线圈(16)；
所述第二跨阻放大器(20)用于对第二电信号进行放大，然后将放大后的第二电信号输入第一自激式激光光泵磁力仪的射频线圈(9)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190517 |