CN109839606A - 一种新型原子磁强计装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型原子磁强计装置，包括半导体激光器，半导体激光器的输出的初始线偏光依次经过光斑整形器、隔离器、第一半波片后获得调节偏振面后的光束，调节偏振面后的光束经过第一偏振分光棱镜后分为稳频光束和待调制光束，稳频光束输入到稳频环路，待调制光束依次经过电光调制器、正交偏振仪、原子气室后由第三偏振分光棱镜分为第一探测光束和第二探测光束，第一探测光束和第二探测光束分别由第一探测器和第二探测器探测，本发明还公开了一种新型原子磁强的检测方法。本发明在精简了磁强计的结构，减小了磁强计的体积与成本的基础上提高了磁强计的灵敏度。

Description

一种新型原子磁强计装置及检测方法

技术领域

本发明技术涉及传感器领域，更具体涉及一种新型原子磁强计装置，还涉及一种新型原子磁强的检测方法。

背景技术

磁强计又称磁力仪，是一种专门用来测量磁场的测量仪器。原子磁强计具有适合弱磁场探测、灵敏度高、体积小、功耗低等特点，广泛用于地磁测量、探矿、地磁导航、生物医学等领域。

原子磁强计普遍通过光场与原子作用实现原子极化，探测极化原子在磁场中的行为获得被测磁场的信息而实现磁场探测。目前已有各种不同方案原子磁强计，探测旋光效应原子磁强计是其中重要的一种。这种磁强计采用圆偏振强光束对磁场中的原子作光抽运极化原子，用与原子跃迁频率保持特定失谐量的线偏振弱光束与极化原子作用，探测作用后光偏振方向变化，从而获得原子所处磁场的信息。

目前旋光探测原子磁强计通常采用两光束相互垂直地入射处于磁场中原子泡，其中圆偏振强光束的光频与原子跃迁频率共振，通过光抽运将原子极化；线偏振弱光束的光频设置为适当失谐，通过与极化原子作用后光偏振方向发生偏转，探测其偏振方向变化特性而获得被测磁场的信息(定义为圆-线双光束方案)。圆-线双光束方案原子磁强计通常采用两台激光器，光强、频率等易于分别控制，先后垂直两光束与原子作用后分离，探测弱光不受强光干扰，这些优点有利于实现好的探测效果。圆-线双光束磁强计采用两台激光器使得体积、功耗、价格等较高，两光束垂直使得探头的体积较大。

作为以上磁强计方案的一种变形，采用一束单色椭圆光束与原子作用也是一种探测旋光效应的原子磁强计方案。这种方案的原理基于椭圆偏振光等价于线偏振光与圆偏振光的叠加，圆偏振光和线偏振光的强弱比例可通过选取适当的椭圆离心率而实现。当椭圆偏振光束入射原子泡圆偏振光成分抽运原子实现极化，而线偏振光成分与极化原子作用发生偏振方向旋转，通过探测透射光束，从中提取出线偏振光偏振方向变化特性而获得被测磁场的信息(定义为椭圆单光束方案)。

圆偏振光频与原子跃迁共振光抽运效果最佳，线偏振光频率与共振频率有一最佳失谐达到最佳旋光效应，单色椭圆偏振光方案选用与共振频率保持一定失谐的光频以使得圆偏振光成分达到一定的抽运效率同时线偏振成分也实现一定旋光效应。然而，因为抽运和旋光都不是工作于最佳共振频率，因此磁场探测效果不如双色光效果好。另外，对于垂直双光束可单独探测线偏振光束获得信号，而对于单光束探测受圆偏振光成分会一定程度影响所获信号质量。因此，这种方案的磁场探能力要差一些。但是椭圆单光束磁强计只用一台激光器以及单一光束，体积、功耗、价格以及探头体积方面的为其赢得应用竞争力。

本发明提出一种多色单光束旋光探测原子磁强计方案(定义为多色光方案)，采用通过对激光的调频或者调幅获得的多色光作为光源，(例如微波调制纵腔面发射激光器(VCSEL)输出的多色光束，或激光束经电光调制器(EOM)调制获得多色光束等)，用一个光学偏振转换器(例如正交偏振仪)实现激光束的基频光成分为圆偏振的抽运光，正负一级边带为用作探测旋光效应的线偏振光。多色光束与磁场中的原子作用后经过光学偏振分析仪后被光电探测器探测，其中正负一级边带成分偏振方向旋转分别产生的信号以叠加的形式被提取。本方案基频为原始激光频率，正负一级边带频率与基频的频差为调制频率，基频与正负一级边带频率成分的光强分配由调制深度决定，所以可方便地实现工作于与原子跃迁频率共振的频率的强基频圆偏振光，以及工作于最佳失谐频率正负一级边带的弱线偏振光。值得指出的是，失谐光场产生原子跃迁谱线光频移效果，会对磁场探测精度产生负面影响。多色光方案采用多色光，正负边带光频对称失谐多色光场产生的光频移程度比圆-线双光束方案的单边失谐光场弱得多。

原理上，多色光磁强计具有达到圆-线双光束磁强计磁场探测能力，椭圆单光束磁强计的体积、功耗、成本的潜力。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺点，提供一种新型原子磁强计装置，还提供一种新型原子磁强的检测方法。实现的磁强计灵敏度高。克服了现有原子磁强计体积大，灵敏度低等问题，可实现高灵敏度原子磁强计。

本发明可通过以下技术方案来实现：

一种新型原子磁强计装置，包括半导体激光器，半导体激光器的输出的初始线偏光经过光斑整形器后产生圆形光斑线偏光，圆形光斑线偏光经过隔离器后产生隔离后的光束，隔离后的光束经过第一半波片后产生第一PBS入射线偏光，第一PBS入射线偏光经过第一偏振分光棱镜后分为稳频光束和待调制单色线偏光，稳频光束输入到稳频环路，待调制单色线偏光经过电光调制器产生多色线偏光，多色线偏光经过第二半波片后产生正交偏振仪多色线偏入射光，正交偏振仪多色线偏入射光经过正交偏振仪后产生圆偏线偏组合光，圆偏线偏组合光经过原子气室后由第三偏振分光棱镜分为第一待测线偏光和第二待测线偏光，第一待测线偏光和第二待测线偏光分别由第一探测器和第二探测器探测。

如上所述的初始线偏光为单色线偏光，圆形光斑线偏光、隔离后的光束、第一PBS入射线偏光、以及待调制单色线偏光都是光斑为圆形的单色线偏光，稳频光束的光强小于1mw。

如上所述的多色线偏光为光斑为圆形的多色光，多色线偏光包括频率为f₀的基频光、以及频率分别为f₊₁和f_-1的正负一级边带光，f₊₁＝f₀+Δf/2和f_-1＝f₀-Δf/2，其中，Δf为调制微波的频率2倍，频率为f₀的基频光、以及频率分别为f₊₁和f_-1的正负一级边带光均为偏振方向相同的线偏光，频率分别为f₊₁和f_-1的正负一级边带光的功率均小于基频光的功率1个量级。

如上所述的正交偏振仪多色线偏入射光为光斑为圆形的多色线偏光，多色线偏入射光包含偏振方向相同的三个分量的线偏光，上述三个分量的线偏光的偏振方向都与正交偏振仪中的偏振分光棱镜的透光轴呈45°。

如上所述的圆偏线偏组合光包括右旋的0级圆偏光以及偏振相互垂直的正负一级边带线偏光。

如上所述的原子气室中的待测磁场垂直于圆偏线偏组合光的传播方向。

一种新型原子磁强检测方法，包括以下步骤：

步骤1、将半导体激光器的输出的初始线偏光经过光斑整形器后获得圆形光斑线偏光，

步骤2、将圆形光斑线偏光入射隔离器后获得隔离后的光束，

步骤3、将隔离后的光束入射第一半波片后获得第一PBS入射线偏光，

步骤4、将第一PBS入射线偏光入射第一偏振分光棱镜后分为稳频光束和待调制单色线偏光，将稳频光束输入到稳频环路，将待调制单色线偏光入射电光调制器获得多色线偏光，多色线偏光经过第二半波片后获得正交偏振仪多色线偏入射光，

步骤5、将正交偏振仪多色线偏入射光入射正交偏振仪后获得圆偏线偏组合光，

步骤6、将圆偏线偏组合光经过原子气室后由第三偏振分光棱镜分为第一待测线偏光和第二待测线偏光，原子气室中的待测磁场垂直于圆偏线偏组合光的传播方向，第一待测线偏光和第二待测线偏光分别由第一探测器和第二探测器探测；

步骤7、根据第一探测器和第二探测器的测量数据的差值计算待测磁场的大小。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：本发明在精简了磁强计的结构，减小了磁强计的体积与成本的基础上提高了磁强计的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的功能结构示意图；

图2为本发明的组成结构示意图；

图3为正交偏振仪的原理图(以基频为右旋圆偏光为例)；

图4为光线分别经过光电调制器和正交偏振仪后的频率变化和偏振变化示意图(以基频为右旋圆偏光为例)；

图5为频率分别为基频和正负一级边带光在经过正交偏振仪以及最后到达探测器之间的偏振变化示意图；

图6为利用本发明方案进行实验得到的灵敏度信号图。

图中：1-半导体激光器；2-初始线偏光；3-光斑整形器；4-圆形光斑线偏光；5-隔离器；6-隔离后的光束；7a-第一半波片；7b-第二半波片；8-第一PBS入射线偏光；9a-第一偏振分光棱镜；9b-第二偏振分光棱镜；9c-第三偏振分光棱镜；10-稳频光束；11-稳频环路；12-待调制单色线偏光；13-光电调制器(EOM)；14-多色线偏光；15a-第一反射镜；15b-第二反射镜；15c-第三反射镜；16-M1反射光束；17-正交偏振仪多色线偏入射光；18a-M2入射射光束；18b-M2反射光束；18c-M3入射光束；18d-M3反射光束；19a-第一四分之一波片；19b-第二四分之一波片；20-延时液晶；21-圆偏线偏组合光；22-原子气室；23-原子气室出射偏转线偏光；24a-第一待测线偏光；24b-第二待测线偏光；25a-第一探测器；25b-第二探测器；26-正交偏振仪，PBS-偏振分光棱镜。

具体实施方式

实施例1：

原子磁强计使用铷原子或铯原子等碱金属原子作为工作物质，工作方式为单束多色光与原子作用，其中与碱金属原子的D1线共振的圆偏光用于极化原子，与原子D1线失谐的线偏光用于探测原子极化。这里我们结合附图说明本新型原子磁强计的实例。

图1所示为本发明原子磁强计的方案结构图，用于阐述本磁强计方案的基本思想。本方案使用多色光产生系统产生多色线偏光(例如微波调制VCSEL输出的多色光束，或激光束经EOM调制获得多色光束等)，多色光由零级光和正负一级边带组成。多色光的各边带将通过正交偏振仪调节偏振方向，从正交偏振仪出来的多色光将满足零级光为圆偏振，正负一级边带为偏振方向相互垂直的线偏光的条件。满足上述条件的多色光中的圆偏光将cell中的工作原子极化后，偏振方向相互垂直的线偏光的偏振面在通过cell后会旋转一个角度，这个角度与cell处的磁场大小有光。最后通过光电探测就可以记录和分析出线偏光的状态变化，从而再计算出待测磁场大小。

图2所示为本发明原子磁强计装置示意图示例。图中半导体激光器1用于产生工作所用的初始线偏光2，光斑整形器3用于将初始线偏光2整形成圆形光斑线偏光4，圆形光斑线偏光4通过隔离器5成为隔离后的光束6，隔离器用于避免隔离器5后光路中激光回射进激光器，从而导致半导体激光器1的性能恶化。第一半波片7a调节隔离后的光束6的偏振面得到第一PBS入射线偏光8，第一PBS入射线偏光8入射第一偏振分光棱镜9a，第一偏振分光棱镜9a将第一PBS入射线偏光8分离成稳频光束10和待调制单色线偏光12，稳频光束10进入稳频环路11，稳频环路11用于半导体激光器1输出激光稳频。待调制单色线偏光12进入光电调制器13，对光电调制器13中注入调制微波，光电调制器13通过微波对待调制单色线偏光12进行调制获得多色线偏光14。多色线偏光14将拥有频率为f₀的基频光和频率分别为f₊₁和f_-1的正负一级边带光，正负一级边带光频率分别为f₊₁＝f₀+Δf/2和f_-1＝f₀-Δf/2，其中Δf为调制微波的频率2倍，频率为f₀的基频光、以及频率分别为f₊₁和f_-1的正负一级边带光均为偏振方向相同的线偏光。为了装置的整洁化，使用第一反射镜15a将多色线偏光14垂直反射后通过第二半波片7b，反射后的光束为M1反射光束16。使用第二半波片7b调节M1反射光束16(也即多色线偏光14)的偏振面，得到正交偏振仪多色线偏入射光17。图2中虚线框内部为正交偏振仪，正交偏振仪的组成为：用于分裂以及合并光束的第二偏振分光棱镜9b；用于反射光束的第二反射镜15b和第三反射镜15c；用于改变相位差的第一四分之一波片19a和第二四分之一波片19b；用于补偿相位延时的延时液晶20。正交偏振仪多色线偏入射光17被第二偏振分光棱镜9b反射一半后成为M2入射光束18a，M2入射光束18a经过第一四分之一波片19a和第二反射镜15b之后被反射成为M2反射光束18b，M2反射光束18b将再次经过四分之一波片19a射向第二偏振分光棱镜9b；正交偏振仪多色线偏入射光17的另一半为透射光束即为M3入射光束18c，M3入射光束18c将经过延时液晶20、第二四分之一波片19b再射向第三反射镜15c，被第三反射镜15c反射的M3反射光束18d将再次经过第二四分之一波片19b以及延时液晶20从而射向第二偏振分光棱镜9b。正交偏振仪中，在第二偏振分光棱镜9b处合并的两束光M2反射光束18b和M3反射光束18d合并成为圆偏线偏组合光21。此时在圆偏线偏组合光21中将含有三个分量，分别为：右旋的0级圆偏光以及偏振相互垂直的正负一级边带线偏光。圆偏线偏组合光21射向原子气室22，原子气室22中的待测磁场垂直于圆偏线偏组合光21的传播方向。原子气室22中的工作原子吸收圆偏线偏组合光21中的圆偏光被极化，当圆偏线偏组合光21中用于探测的线偏光穿过原子气室22时，线偏光的偏振面将旋转一定的角度，旋转角与待测磁场强度有关。从原子气室22出来的原子气室出射偏转线偏光23中含有未被吸收的圆偏光和两种线偏光。原子气室出射偏转线偏光23被第三偏振分光棱镜9c将分裂成偏振方向相互垂直的两个分量：透射光束为第一待测线偏光24a；反射光束为第二待测线偏光24b。其中第一待测线偏光24a将被第一探测器25a探测；第二待测线偏光24b将被第二探测器25b探测。系统使用差分探测手段，即将第一探测器25a探测到的数据减去第二探测器25b探测到的数据，因此未被原子泡吸收的透射圆偏光将不会对探测结果产生影响。入射到第三偏振分光棱镜9c的线偏光的透射分量第一待测线偏光24a和反射分量第二待测线偏光24b的大小将不一样，根据差分信号计算出磁场大小。

图3为正交偏振仪26的工作原理图，以基频光为圆偏振为例。正交偏振仪多色线偏入射光17中所有频率成分的偏振方向都与第二偏振分光棱镜9b的透光轴成45°，因此被第二偏振分光棱镜9b分为功率相同的M2入射光束18a和M3入射光束18c，其中M2入射光束18a的偏振方向为垂直纸面(如图2中前后)方向，M3入射光束18c的偏振方向为平行纸面左右(如图2中左右)方向。M2入射光束18a在经过第一四分之一波片19a和第二反射镜15b并且原路反射回第二PBS9b时光束偏振方向为平行纸面上下(如图2中上下)方向；M3入射光束18c在经过延时液晶20、第二四分之一波片19b第三反射镜15c并原路返射回第二偏振分光棱镜9b时偏振方向变为前后方向。反射光束和透射光束分别在各自的光路中的光程差不相同，按照设定透射光束的光程将比反射光束在合束时要多出2ΔL。但由于不同的频率成分的光在经过相同光程差时相位差不同，因此合束后的圆偏线偏组合光21中不同边带的偏振不同。我们需要的是频率为f₀的基频光变为圆偏光，正负一级边带频率分别为f₊₁和f_-1的光是偏振相互垂直的线偏光，为了使频率为f₀的基频光变为圆偏光，ΔL应满足ΔL＝(n+1/2)c/(4f₀)，其中c为光速，n为整数。为了将ΔL调节精度控制在激光波长量级，采用了光程可精确控制的延时液晶，即装置图中的延时液晶20。为了满足正负一级边带光分别变为相互垂直的线偏振光，ΔL同时应满足ΔL＝c/(4Δf)。例如调制频率为5GHz时，Δf＝10GHz,为了保证圆偏光的圆偏度以及线偏光的性能，光程差ΔL为0.75cm。

图4为光线频率变化图和各频率分量的偏振变化图，以基频光为圆偏振为例。半导体激光器1产生频率为f₀的线偏振激光。在经过光电调制器13(EOM)后增加了频率为f₊₁和f_-1的两个边带光，且偏振方向与f₀相同。光束通过正交偏振仪26，零级边带频率为f₀的光变为圆偏光，正负一级边带f₊₁和f_-1变为偏振相互垂直的线偏光，其中频率为f_-1的负一级边带光偏振方向为第二偏振分光棱镜9b透光轴方向逆时针旋转π/4(如图3中正π/4)，频率为f₊₁的正一级边带光偏振方向为第二偏振分光棱镜9b透光轴方向顺时针旋转π/4(如图3中负π/4)。

图5为三个频率分量在光束经过正交偏振仪26后，直到两个探测器的光束偏振变化图，以基频光为圆偏振为例。图中三个分量各自画出，图中的偏振指示箭头为迎着光看的方向光束的电矢量的振动方向。圆偏线偏组合光21中频率为f_-1的分量的偏振方向为正π/4；频率为f₊₁的分量的偏振方向为负π/4，而频率为f₀的分量为右旋的圆偏光。激光穿过原子气室22后变为原子气室出射偏转线偏光23。原子气室出射偏转线偏光23中频率为f_-1的分量在原子气室22中原子的作用下顺时针旋转一个小角度，而频率为f₊₁的分量的偏振方向逆时针旋转一个小角度，这两个频率成分的光差分结果相加。频率分量为f₀的的圆偏光未被原子气室吸收完的部分为圆偏振，差分探测结果为0。

一种新型原子磁强检测方法，包括以下步骤：

步骤1、将半导体激光器1的输出的初始线偏光2经过光斑整形器3后获得圆形光斑线偏光4，

步骤2、将圆形光斑线偏光4入射隔离器5后获得隔离后的光束6，

步骤3、将隔离后的光束6入射第一半波片7a后获得第一PBS入射线偏光8，

步骤4、将第一PBS入射线偏光8入射第一偏振分光棱镜9a后分为稳频光束10和待调制单色线偏光12，将稳频光束10输入到稳频环路11，将待调制单色线偏光12入射电光调制器13获得多色线偏光14，多色线偏光14经过第二半波片7b后获得正交偏振仪多色线偏入射光17，

步骤5、将正交偏振仪多色线偏入射光17入射正交偏振仪26后获得圆偏线偏组合光21，

步骤6、将圆偏线偏组合光21经过原子气室22后由第三偏振分光棱镜9c分为第一待测线偏光24a和第二待测线偏光24b，原子气室22中的待测磁场垂直于圆偏线偏组合光21的传播方向，第一待测线偏光24a和第二待测线偏光24b分别由第一探测器25a和第二探测器25b探测；

步骤7、根据第一探测器25a和第二探测器25b的测量数据的差值计算待测磁场的大小。

图6为利用本发明方法进行实验得到的灵敏度信号图，实验中我们采用波长为795nm的外腔式半导体激光器，并往光电调制器中注入了频率为2GHz、功率为-14dbm的微波，最后成功实现了1pT/Hz^1/2的灵敏度。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型原子磁强计装置，包括半导体激光器(1)，其特征在于，半导体激光器(1)的输出的初始线偏光(2)经过光斑整形器(3)后产生圆形光斑线偏光(4)，圆形光斑线偏光(4)经过隔离器(5)后产生隔离后的光束(6)，隔离后的光束(6)经过第一半波片(7a)后产生第一PBS入射线偏光(8)，第一PBS入射线偏光(8)经过第一偏振分光棱镜(9a)后分为稳频光束(10)和待调制单色线偏光(12)，稳频光束(10)输入到稳频环路(11)，待调制单色线偏光(12)经过电光调制器(13)产生多色线偏光(14)，多色线偏光(14)经过第二半波片(7b)后产生正交偏振仪多色线偏入射光(17)，正交偏振仪多色线偏入射光(17)经过正交偏振仪(26)后产生圆偏线偏组合光(21)，圆偏线偏组合光(21)经过原子气室(22)后由第三偏振分光棱镜(9c)分为第一待测线偏光(24a)和第二待测线偏光(24b)，第一待测线偏光(24a)和第二待测线偏光(24b)分别由第一探测器(25a)和第二探测器(25b)探测。

2.根据权利要求1所述的一种新型原子磁强计装置，其特征在于：所述的初始线偏光(2)为单色线偏光，圆形光斑线偏光(4)、隔离后的光束(6)、第一PBS入射线偏光(8)、以及待调制单色线偏光(12)都是光斑为圆形的单色线偏光，稳频光束(10)的光强小于1mw。

3.根据权利要求1所述的一种新型原子磁强计装置，其特征在于：所述的多色线偏光(14)为光斑为圆形的多色光，多色线偏光(14)包括频率为f₀的基频光、以及频率分别为f₊₁和f_-1的正负一级边带光，f₊₁＝f₀+Δf/2和f_-1＝f₀-Δf/2，其中，Δf为调制微波的频率2倍，频率为f₀的基频光、以及频率分别为f₊₁和f_-1的正负一级边带光均为偏振方向相同的线偏光，频率分别为f₊₁和f-1的正负一级边带光的功率均小于基频光的功率1个量级。

4.根据权利要求1所述的一种新型原子磁强计装置，其特征在于：所述的正交偏振仪多色线偏入射光(17)为光斑为圆形的多色线偏光，多色线偏入射光(17)包含偏振方向相同的三个分量的线偏光，上述三个分量的线偏光的偏振方向都与正交偏振仪(26)中的偏振分光棱镜的透光轴呈45°。

5.根据权利要求1所述的一种新型原子磁强计装置，其特征在于：所述的圆偏线偏组合光(21)包括右旋的0级圆偏光以及偏振相互垂直的正负一级边带线偏光。

6.根据权利要求1所述的一种新型原子磁强计装置，其特征在于：所述的原子气室(22)中的待测磁场垂直于圆偏线偏组合光(21)的传播方向。

7.一种新型原子磁强检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将半导体激光器(1)的输出的初始线偏光(2)经过光斑整形器(3)后获得圆形光斑线偏光(4)，

步骤2、将圆形光斑线偏光(4)入射隔离器(5)后获得隔离后的光束(6)，

步骤3、将隔离后的光束(6)入射第一半波片(7a)后获得第一PBS入射线偏光(8)，

步骤4、将第一PBS入射线偏光(8)入射第一偏振分光棱镜(9a)后分为稳频光束(10)和待调制单色线偏光(12)，将稳频光束(10)输入到稳频环路(11)，将待调制单色线偏光(12)入射电光调制器(13)获得多色线偏光(14)，多色线偏光(14)经过第二半波片(7b)后获得正交偏振仪多色线偏入射光(17)，

步骤5、将正交偏振仪多色线偏入射光(17)入射正交偏振仪(26)后获得圆偏线偏组合光(21)，

步骤6、将圆偏线偏组合光(21)经过原子气室(22)后由第三偏振分光棱镜(9c)分为第一待测线偏光(24a)和第二待测线偏光(24b)，原子气室(22)中的待测磁场垂直于圆偏线偏组合光(21)的传播方向，第一待测线偏光(24a)和第二待测线偏光(24b)分别由第一探测器(25a)和第二探测器(25b)探测；

步骤7、根据第一探测器(25a)和第二探测器(25b)的测量数据的差值计算待测磁场的大小。