CN110045301B - 一种基于3d打印技术的一体化磁力仪探头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于3D打印技术的小型一体化磁力仪探头及其制作方法，磁力仪探头由使用3D打印技术设计制成的多个模块构成，包括：泵浦光光路模块、探测光光路模块、原子气室模块、稳功率模块、光纤连接模块和探头的母体支架；探头的母体支架通过PEEK螺钉、螺母或胶水固定磁力仪探头的各个模块；光学元件的固定结构可进行旋转和调节，磁力仪探头的尺寸不超过270mm×240mm×50mm。本发明解决了使用现有钻头设计磁力仪探头时自由度受限的问题，适用于所有种类磁力仪的探头设计。本发明提供的磁力仪探头可在无屏蔽环境中正常工作，在47000nT磁场环境下，噪声功率谱密度达到

Description

一种基于3D打印技术的一体化磁力仪探头及其制作方法

技术领域

本发明涉及磁传感器设计技术领域，尤其涉及一种采用3D打印技术设计的一体化、小型化、可搬运的磁力仪探头。本发明适用于包括原子磁力仪的所有种类的磁力仪探头的设计和制备。

背景技术

原子磁力计(AM)是基于磁场中的光与原子相互作用的高灵敏度磁场检测装置。由于其极高的灵敏度，原子磁力仪被广泛应用于诸如物理探测，外太空磁场测量和生物医学等领域。在这些应用中，紧凑且便携的磁力仪探头具备很大的优势。然而，磁力仪探头的复杂几何形状和其组件的非磁性要求使得其在制造过程中面临很大的挑战。

通常情况下，磁力仪探头包括原子气室，其是整个磁力仪系统的磁场敏感部件，以及至少一个透过原子气室的光束。因此，磁力仪探头必须为光学路径提供足够的空间，并为光学元件的安装留出空间。然而，由于磁力仪探头内部空间狭窄且曲折，现有传统的钻头不能达到这些空间，特别是当传感器中存在多个光束时，例如在具有调幅光的非线性磁光旋转(NMOR)磁力计中(NMOR磁力仪是能在地球磁场中工作的最灵敏的原子磁力仪之一)。因此，使用现有的传统方法进行磁力仪探头设计与制作时，自由度受到极大的限制。采用现有方法设计制成的磁力仪探头需要把光路拆成几个不同的部分，然后再拼装，使得其结构不够紧凑，占用空间大，磁力仪系统的灵敏度不高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种将3D打印技术应用于一体化、小型化、可移动的磁力仪探头的设计的技术方案，并实现制作完整的一体化、小型化、可搬运的磁力仪探头，解决了使用传统钻头设计磁力仪探头时自由度受限的问题。经检测，本发明提供的磁力仪探头可在无屏蔽环境中正常工作，在47000nT磁场环境下，噪声功率谱密度达到

本发明技术方案适用于所有种类磁力仪的探头设计。

本发明的技术方案是：

一种使用3D打印技术设计的一体化、小型化、可移动的磁力仪探头，包括：泵浦光光路模块、探测光光路模块、原子气室模块、稳功率模块、光纤连接模块和探头的母体支架，以上所有模块通过软件设计完成后，使用被称为PA12的尼龙作为原材料，利用3D打印中的选择性激光烧结技术制成。这里使用的选择性激光烧结技术和PA12材料仅作为举例，3D打印中的其他技术和材料亦可以实现。

其中，所述泵浦光光路模块包括：用于使进入探头的泵浦光偏振性更高的第三起偏器和固定起偏器的结构；

用于调整泵浦光光强大小的分光器件，具体包括第四半波片、第二偏振分光棱镜(PBS)和固定二者的结构；

同时用于改变光偏振方向及调整泵浦光进的气室前的光功率的器件，具体包括第三半波片、第四起偏器和二者的固定结构；

用于将线偏振光转换成圆偏振光的四分之一波片及其固定结构。

所述的探测光光路模块包括：

用于使进入探头的探测光偏振度更高的第一起偏器和起偏器的固定结构；

用于调整探测光光强大小的分光器件，具体包括第一半波片、第一偏振分光棱镜(PBS)和二者的固定结构；

用于改变探测光传播方向的第一、第二三角反射镜和反射镜的固定结构；

同时用于改变光偏振方向及调整探测光进气室前的光功率的器件，具体包括第二半波片、第二起偏器和二者的固定结构；

用于线偏探测光的偏振检测的偏振分光器件沃拉斯顿棱镜及其固定结构。

所述的原子气室模块包括：镀膜原子气室(长度30mm、直径20mm)及其固定结构。原子气室为圆柱形玻璃结构且中间位置带有尾巴凸起，因此，设置一个包括上、下两部分的支架，用于夹持固定原子气室。原子气室与夹持支架通过无磁的PEEK螺钉和螺母进行锁紧固定。

所述的稳功率模块包括：用于检测泵浦光和探测光光功率的第一、第二无磁光电二极管、进行电信号反馈的比例-积分-微分控制器(PID)和声光调制器。第一、第二无磁光电二极管使用胶水黏贴在探头的母体支架，并接收泵浦光光路模块和探测光光路模块中通过分光器件分出的光源，转换成电信号至PID控制器的输入端。PID控制器通过控制声光调制器可以主动稳定激光功率，该声光调制器可以控制传输到光纤链接模块的激光功率。

所述的光纤连接模块包括：用于将泵浦光激光系统发出的泵浦光引入探头的单模光纤、光纤准直器及第四光纤固定结构、用于将探测光激光系统发出的探测光引入探头的单模光纤、光纤准直器及第一光纤固定结构、用于将探头内的探测光(空间光)引入平衡探测器进行差分探测的多模光纤及第二、第三光纤固定结构。

所述的探头的母体支架为以上所有模块的支撑结构，使用PEEK螺钉、螺母和胶水，可将上述所有模块固定在探头的母体支架中，形成一个完整的一体化磁力仪探头。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下技术优点和有益效果：

1.本发明由于采取3D打印技术设计磁力仪探头，克服了使用传统钻头进行磁力仪探头设计时，设计自由度受到限制的问题。使得磁力仪探头体积得以进一步缩小，结构也更加紧凑、结实。具体实施时，本发明制作的磁力仪探头体积为270mm×240mm×50mm。

2.本发明我们应用了3D打印中的选择性激光烧结，作用于被称为PA12的尼龙材料。在这种方法中，粉末状尼龙通过扫描高功率激光束结合在一起，形成坚固的固状结构。PA12是一种非磁性绝缘聚合物，具有高强度和高3D打印分辨率(0.1mm)。与3D打印中常用的其他聚合物相比，例如用于立体光刻外观(SLA)的光聚合物和用于熔融沉积成型(FDM)的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，其典型的维卡软化温度为60-80℃，PA12的维卡软化温度高达160℃。这种性质有助于PA12良好的长期恒定性能，这对于这种情况至关重要。需要强调的是，本发明所述技术方案使用3D打印中的其他技术和材料亦可以实现。

3.本发明的磁力仪探头内部集成了无磁光电二极管，并配合泵浦光光路模块和探测光光路模块的分光器件和起偏器等，实现了探头内激光功率的稳定，有利于提升整个磁力仪系统的灵敏度。

4.本发明探测光光路模块采用了两个三角反射镜，使得探测光传播方向形成回路，有效的压缩了磁力仪探头的体积。光学元件的固定结构可灵活的进行旋转和调节，使得整个光路的调节变得更加灵活。

附图说明

图1为本发明提供的使用3D打印技术制作的磁力仪探头的母体及主要模块结构图；

其中：1—第一光纤固定结构；2—第一起偏器；3—第一半波片；4—第一无磁光电二级管；5—第一偏振分光棱镜(PBS)；6—第一三角反射镜；7—第二半波片；8—第二起偏器；9—原子气室；10—第五半波片；11—第二三角反射镜；12—沃拉斯顿棱镜；13—第二光纤固定结构；14—第三光纤固定结构；15—第四光纤固定结构；16—第三起偏器；17—第四半波片；18—第二无磁光电二极管；19—第二偏振分光棱镜(PBS)；20—第三半波片；21—第四起偏器；22—四分之一波片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

本发明提供一种使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，使用3D建模软件SolidWorks等完成探头母体及主要模块结构件的设计工作后，利用3D打印技术使尼龙粉末堆叠粘结成结构件的形状，制成结构件。将制成的各结构组装好后，使用PEEK螺钉、螺母和胶水进行固定锁紧，组成了一个完整的一体化磁力仪探头。

本发明提供的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头适用于同步光泵浦的磁共振磁力仪探头、射频场激励的磁共振磁力仪探头和基于汉诺效应的磁力仪探头等。它们的光路结构会有所不同，例如光路的数量、光束的方向，射频场激励的磁共振磁力仪探头还涉及到绕制磁场线圈，以下以同步光泵浦的磁共振磁力仪探头进行举例。

如图1所示为本发明具体实施时使用3D打印技术制作的磁力仪探头。

首先，根据探头的功能需求设计出图中所示的各结构件的平面设计图，明确结构件的具体形状及尺寸。此后，依据结构件平面设计图，利用3D建模软件solidworks建立其3D模型，3D模型的形状及尺寸与结构件设计图保持一致。而后，利用solidworks的装配功能，按照结构件实际装配方式对3D模型进行装配实验，以检查结构件设计合理性，若发现设计缺陷则对平面设计图和3D模型进行修改。至此，完成结构件的设计工作，接下来进行结构件的3D打印制作。在3D打印制作中，使用标号PA12的尼龙粉末作为原材料，以结构件3D模型为蓝本，利用3D打印中的选择性激光烧结技术分层烧结PA12尼龙粉末，使尼龙粉末堆叠粘结成结构件的形状，制成结构件。将各模块安装到探头母体后，使用PEEK螺钉、螺母和胶水进行固定锁紧，组成了一个完整的一体化磁力仪探头。具体的结构为：

泵浦光激光系统发出的光源通过单模光纤耦合进入第四光纤固定结构15。进入磁力仪探头的光先通过第三起偏器16来提高光源的偏振度，再通过分光器件第四半波片17和第二偏振分光棱镜19分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光，其中一束进入第二无磁光电二极管18进行光功率的稳定，另有一束光通过有第三半波片20和第四起偏器21组成器件进一步提纯光源的偏振度，并控制进原子气室前的激光功率。再经过四分之一波片22将提纯后的线偏振光转化为圆偏振光，进入原子气室与原子相互作用。

本发明制成的磁力仪探头在工作时，探测光激光系统发出的光源通过单模光纤耦合进入第一光纤固定结构1。进入磁力仪探头的光先通过第一起偏器2来提高光源的偏振度，再通过分光器件第一半波片3和第一偏振分光棱镜5分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光，其中一束进入无磁光电二极管4进行光功率的稳定，另有一束光通过第一三角反射镜6进行90°偏转后进入由第二半波片7和第二起偏器8组成器件进一步提纯光源的偏振度，并控制进原子气室前的激光功率。进入原子气室与原子相互作用后的探测光通过第五半波片10和沃拉斯顿棱镜12组成的器件进行分光，并通过第三、第四光纤固定结构13、14进入平衡探测器进行差分探测，中间的第二三角反射镜11使得光路偏转90°。

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 (9)

1.一种使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，由使用3D打印技术设计制成的多个模块构成，包括：泵浦光光路模块、探测光光路模块、原子气室模块、稳功率模块、光纤连接模块和探头的母体支架；

其中，所述探测光光路模块包括：第一起偏器和起偏器的固定结构、探测光光路分光器件、两个三角反射镜和反射镜的固定结构、调整探测光的器件、偏振分光器件沃拉斯顿棱镜及其固定结构；第一起偏器用于使进入探头的探测光偏振度更高；探测光光路分光器件用于调整探测光的光强大小；沃拉斯顿棱镜用于线偏探测光进行偏振检测的偏振分光器件；

所述探测光光路模块中，探测光光路分光器件具体包括第一半波片、第一PBS和二者的固定结构；调整探测光的器件具体包括第二半波片、第二起偏器和二者的固定结构；

所述泵浦光光路模块包括：第三起偏器和固定起偏器的结构、泵浦光光路分光器件、调整泵浦光的器件、四分之一波片和波片固定结构；第三起偏器用于使得进入探头的泵浦光偏振性更高；泵浦光光路分光器件用于调整泵浦光的光强大小；调整泵浦光的器件用于同时改变泵浦光偏振方向及调整泵浦光进入气室前的光功率；四分之一波片用于将线偏振光转换成圆偏振光；

所述原子气室模块包括：镀膜原子气室及其固定结构；镀膜原子气室为圆柱形玻璃结构且中间位置带有尾巴凸起；镀膜原子气室的固定结构为夹持支架；原子气室与夹持支架通过无磁的PEEK螺钉和螺母锁紧固定；

所述稳功率模块包括：第一无磁光电二极管、第二无磁光电二极管、比例-积分-微分控制器；无磁光电二极管用于检测泵浦光和探测光的光功率；比例-积分-微分控制器用于进行电信号反馈；无磁光电二极管黏贴在探头的母体支架上，用于接收泵浦光光路模块中通过泵浦光光路分光器件分出的光源和探测光光路模块中通过探测光光路分光器件分出的光源，并转换成电信号，作为比例-积分-微分控制器的输入端；比例-积分-微分控制器通过控制声光调制器主动稳定激光功率；

所述光纤连接模块包括：泵浦光引入单模光纤、泵浦光引入单模光纤的光纤准直器及其固定结构、探测光引入单模光纤、探测光引入单模光纤的光纤准直器及其固定结构、多模光纤及其固定结构；所述泵浦光引入单模光纤用于将泵浦光激光系统发出的泵浦光引入探头；探测光引入单模光纤用于将探测光激光系统发出的探测光引入探头；多模光纤用于将探头内的空间光引入平衡探测器进行差分探测；

探头的母体支架用于支撑和固定上述所有模块，制成完整的一体化磁力仪探头。

2.如权利要求1所述的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，所述泵浦光光路模块中，调整泵浦光的器件具体包括第三半波片、第四起偏器和二者的固定结构；分光器件具体包括第四半波片、第二PBS和二者的固定结构。

3.如权利要求1所述的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，探头的母体支架通过PEEK螺钉、螺母和胶水固定磁力仪探头的各个模块。

4.如权利要求1所述的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，磁力仪探头的多个模块均通过3D打印的选择性激光烧结技术，采用PA12尼龙作为3D打印原材料制作得到。

5.如权利要求1所述的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，所述探测光光路模块采用两个三角反射镜，使得探测光传播方向形成回路，有效压缩磁力仪探头的体积。

6.如权利要求1所述的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，三角反射镜使得光路偏转90°。

7.如权利要求1所述的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，所述磁力仪探头的光学元件的固定结构均可进行旋转和调节；所述磁力仪探头的光学元件包括：起偏器、反射镜、偏振分光器件沃拉斯顿棱镜、半波片、PBS、四分之一波片、光纤准直器和多模光纤。

8.如权利要求1所述的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，镀膜原子气室的长度为30mm，直径为20mm；镀膜原子气室与夹持支架通过无磁PEEK螺钉和螺母进行锁紧固定。

9.如权利要求1所述的使用3D打印技术设计制成的一体化磁力仪探头，其特征是，所述磁力仪探头在47000nT磁场环境下，噪声功率谱密度达到

磁力仪探头的尺寸为不超过270mm×240mm×50mm。

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